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西安建筑科技大学硕士论文 块状半硬磁材料的制备及组织结构与性能 专业：材料加工工程 硕士生：魏法明 导师：杜忠泽副教授 王经涛教授 摘要 工业用的半硬磁材料2 j 4 合金由于具有优良的磁滞性能而广泛用于磁滞电机 的转子、马达、陀螺仪及航空用的导航仪等设备。由于现有加工方式的局限，使 得其利用成本较高。本文提出了一种新的加工变形方法即等径弯曲通道变形法 ( e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ，简称e c a p ) 来制备块状半硬磁材料以解决 其利用率低的问题。这种变形方式的特征是一次变形可以获得很大的真应变，通 常利用其强烈的塑性剪切变形来获得超细晶材料。本文主要研究e c a p 变形制各块 状半硬磁材料的可行性。 本研究成功地实现了a 方式常温下半硬磁材料2 j 4 合金的e c a p 变形。实验中 最大累积真应变达到3 ，相当于压下量达到9 0 。并用光学显微镜( o f f ) 、透射 电镜( t e m ) 对组织变形特点进行了观察。测量了变形后试样的磁性能并与冷轧进 行对比分析。主要结论如下： l 、本实验成功的实现了室温下半硬磁材料2 j 4 合金a 方式的e c a p 变形，制备出 块状的2 j 4 磁滞合金。 2 、2 3 4 台金的相变机理为应力诱导马氏体相变，在强烈的塑性变形下实现了从 7 一口的组织转变。 3 、通过实验发现马氏体转变量随着变形量的增加而增大，二者存在正相关关系。 4 、 e c a p 变形得到的试样具有比冷轧试样( 相近工程应变) 更优异的磁滞性能， 表现为更高的矫顽力、剩磁及更大的磁能积，说明了这种工艺的可行性。 关键词：等径弯曲通道变形；强烈塑性变形；半硬磁材料；2 5 4 合金；马氏体相变 西安建筑科技大学硕士论文 f a b r i c a t i o n ，s t r u c t u r ea n d p r o p e r t yo fs e m i m a g n e t i ca l l o y s p e c i a l t y ： m a t e r i a lp r o c e s s i n g n a m e ：w e if a m i n g i l l s t n i c t o r ：d uz h o n g z e w a n gj i n g t a o a b s t r a c t t h ea l l o yo f2 j 4 ，ak i n do fi n d u s t r i a ls e m i m a g n e t i cm a t e r i a l ，i sw i d e l yu s e da st h e r o t o ro fm a g n e t i cr e t a r d a t i o ne l e c t r o m o t o r 、g y r o s c o p e 、n a v i g a t i o nd e v i c e si na v i a t i o n a n ds oo nb e c a u s eo fi t se x c e l l e n tm a g n e t i cr e t a r d a t i o np e r f o r m a n c e t h eu s u a l p r o c e s s i n gr o u t em a k e s i t su t i l i t yc o s th i g hf o ri t sl i m i t a t i o n s t h i sp a p e rp u t sf o r w a r da n e wp r o c e s s i n gw a y , e q u a lc h a n n e la n g u l a rp r e s s i n g ( e c a p ) ，t om a k eb l o c k s e m i m a n e t i cm a t e r i a l sf o rt h ep r o b l e mo f l o wu t i l i t yr a t e t h ef e a t u r eo f t h e s t y l ei st h a t i tc a l lo b t a i nl a r g et r u es t r a i np e rp a s sd e f o r m a t i o n ，w h i c hw a so f t e nu s e dt oo b t a i nt h e u l t r a f r e e dg r a i n e dm a t e r i a lb e c a u s ei tc a nr e a l i z es e v e r ep l a s t i cs h e a r i n gd e f o r m a t i o n t h ep a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ef e a s i b i l i t yu s e i n ge c a pt om a k eb l o c ks e m i - m a g n e t i c m a t e r i a l e c a po f2 j 4a l l o ya tr o o mt e m p e r a t u r ew i t hr o u t eaw a sc a r r i e do u ts u c c e s s f u l l y a n db l o c ks h a p e2 j 4a l l o yh a sb e e no b t a i n e di nt h ee x p e r i m e n t t h et h em a x i m u m e q u i v a l e n tt r u es t r a i n 3 ，e q u i v a l e n tt ot h ed e p r e s s i n gr a t eo f9 0 i nt h ee x p e r i m e n t t h em i c r o s t r u c t u r eo ft h ea l l o yd e f o r m e dw a si n v e s t i g a t e d b yn l e a n so fo p t i c a l m i c r o s c o p y ( o m ) m a dt r a n s m i s s i o n e l e c t r o n m i c r o s c o p y ( t e m ) i t sm a g n e t i c p e r f o r m a n c ew a sa l s om e a s u r e d 、a n a l y z e da n dc o m p a r e dw i t ht h eo n eo fc o l dr o l l i n g t h em a i nr e s u l t sa r eo b t a i n e da sf o l l o w i n g ：( 1 ) e c a po f2 j 4a l l o ya tr o o mt e m p e r a t u r e w i t hr o u t eah a sb e e nc a r r i e do u ts u c c e s s f u l l ya n dt h eb l o c k2 j 4a l l o yh a sb e e nm a d ei n t h ee x p e r i m e n t ( 2 ) t h et h e o r yo ft h e2 j 4 sp h a s el a a n s f o r m a t i o ni ss t r e s s - i n d u c e d t h e t i s s u et r a n s f o r m a t i o no f7 斗1 2 i sc a r r i e do u tt r a d e rt h es e v e r ep l a s t i cs h e a r i n g d e f o r m a t i o n ( 3 ) t h em o r et h ed e f o r m a t i o n e x t e n ti s ，t h el a r g e rt h em a r t e n s i t e s t r a n s f o r m a t i o nw i l lb e t h er e l a t i o nb e t w e e nt h e mi s p o s i t i v ep e r t i n e n c e ( 4 ) t h e i i 西安建筑科技大学硕士论文 s p e c i m e no fe c a ps h o w sb e t t e rm a g n e t i cr e t a r d a t i o np e r f o r m a n c et h a nt h ec o l dr o l l e d o n ew i t ht h es i m i l a rd e f o r m a t i o nq u a n t i t yw i t ht h el a r g e rn u m b e ro f c o e r c i v ef o r c e ( h c ) 、 r e m a n e n c e ( b r ) a n dm o s tm a g n e t i ce n e r g y ( b h ) m a x , t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed e f o r m a t i o n s t y e l ei sf e a s i b l e k e yw o r d s ：e c a p , s e v e r es h e a r i n gd e f o r m a t i o n ，s e m i - m a g n e t i ca l l o y , 2 j 4a l l o y , m a r t e n s i t ep h a s et r a n s f o r m a t i o n l i l 声明 本人郑重声明我所呈交的论文足我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特另c l d n 以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。 与我一同工作的同志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 锄媳 日期：玩s 关于论文使用授权的说明 本人完全了解两安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 一一携访呗踟繇锄够略吼缈r 西安建筑科技大学硕士论文 第一章文献研究 1 1 引言 材料是人类进化史的里程碑，现代文明的重要支柱，发展高技术的基础和先 导。随着科学技术的进步，人类生活水平的提高，2 1 世纪对材料技术提出了更高 的要求：特别是由于世界人口的迅猛增加，资源的加速枯竭，生态的不断恶化， 对材料生产技术的开发与有效利用提出了更高的要求。因此，近几十年来改变传 统落后、粗放的资源利用方式，提高材料的利用率，减少对环境的破坏和过度开 发，实现资源利用从粗放式到集约式转变，保持人类社会的可持续发展，遵循科 学的发展观日益成为一个重要的课题摆在人类面前，引起世界各国高度重视。 而其中作为功能材料的重要分支的磁性材料由于可制成具有转换、传递、处 理信息、存储能量、节约能源等功能的磁性元器件，广泛地应用于能源、电信、自 动控制、通讯、家用电器、生物、医疗卫生、轻工、选矿、物理探矿、军工等领 域，尤其在信息技术领域已成为不可缺少的组成部分。在当今世界，磁性材料更 是在高科技应用领域起到举足轻重、无所不在、无可替代的地位。二十一世纪是 信息时代，随着科技的发展，对磁性材料的要求越来越高，不仅要开发出新功能 磁材，而且要尽可能地降低成本，增加材料的利用率，实现对资源的合理利用。 因此在当今磁学和磁性材料领域内对新材料、新工艺、新技术、新应用的深入研 究和开发应用正成为新世纪磁性材料首要任务 2 3 o 各国的创新速度不断加快，新 的科技成果不断涌现，令人目不暇接。 为了改善材料的磁学性质，以应用于各种不同目的，人类发明了各种技术、 方法、工艺来加工材料，从历史上而言，按材料加工技术进展区分，大体可由以 下几个阶段： ( 1 ) 熔炼铸造技术，获得铁及其合金等软磁和永磁材料。 ( 2 ) 粉末冶金，开发绝缘性磁性材料，陶瓷材料和稀土永磁材料。 ( 3 ) 真空镀膜，开发了镀膜磁性材料及非晶磁性材料，制成磁记录介质及微 磁学器件。 ( 4 ) 单原子层控制技术，制备了定向晶体学取向，巨磁电阻多层膜，人工超 晶格等有特殊用途的磁性材料。 而材料的开发和利用，也就是采取以上这几种工艺方法来加强所需要的性能， 抑制不利于所需性能的因素。 西安建筑科技大学硕士论文 1 2 磁性材料分类和特点 磁性是物质的基本属性之一，在外磁场的作用下，各种物质都旱现m 一定的 磁性。按其磁十牛表现可分为抗磁性物质、顺磁性物质、铁磁性物质、反磁性物质 和亚磁性物质等多种。抗磁性物质、顺磁性物质、反磁性物质为弱磁性物质。它 们表现为在外磁场作用下，物质呈现f 】；与外磁场相同或相反的成比例或不成比例 的微弱磁化。而铁磁性物质和亚磁性物质为强磁性物质。表现为在外磁场作用下 呈现出强烈磁化。其磁性比外磁场大若干倍，与外磁场的变化不成比例，而日还 存在着一种磁饱和现象。钢铁及其合金材料绝大多数属十铁磁性物质，凶而也是 强磁性物质。 强磁性物质通常叫做磁性材料。按具磁性特点可分为软磁材料、硬磁材料和 介于二者之间的半硬磁材料。 软磁合金的特点是最大磁导率高、矫顽力低，存不大的外磁场作用下就能产 生很高的磁感应强度，撤销外磁场后磁性基本消失。它们所产生的磁滞现象不根 显著，功率损耗较低，多数在交流磁化状态下应用。软磁材料品种很多，如电= 用纯铁、硅钢片、铁镍合金、软磁铁氧体等。 硬磁合余又叫永磁合金。它们的特点是经磁化后能在较长时间内保持较强和 稳定的剩磁。表现为磁滞回线宽，具有较大的矫顽力和磁能积，磁滞现象也比较 显著。常见的硬磁合金有淬火后的高碳钢、铝镍钻、稀土钴、钕铁硼、铁钴合金、 硬磁铁氧体等。 工业上常用的钢铁材料属于铁磁性材料。它们的磁性范围很广，差别很大。 有的接近于硬磁材料，有的又相似于软磁材料。然而更多的是介于硬磁材料和软 磁材料之间，即半硬磁材料，其特点为：具有一定矫顽力和尽可能高的剩余磁通 以及一定方形比( b r b s ，通常比值越大，磁滞性能越好，效率越高) 。半硬磁材 料通常在磁性随着外磁场变化的条件下工作的，多用于继电器、磁滞式马达、磁 滞电机、导航用的陀螺仪、半崮定存储元件等电气元器件。 根据工业上常用钢铁材料的成分组织引起的磁特性参数变化的规律可将它们 大致分为四类“1 ： 第一类，磁性较软。它们包括在供货状态下( c ) j 时，尸= i 3 了8 ；当，和 占相等时，h 。可以达到最大值。一般磁化曲线的最峻峭的部分，主要是发生在磁 化过程为1 8 0 。磁畴的位移，故h ，主要由式4 1 0 所定。 图4 7 内应力分布示意图 ( 2 ) 杂质理论认为，当材料中存在着较多的不均匀相，而不均匀相和母相的 磁性又相差很远的时，如珠光体中的f e ，c 可以看成是杂质。畴壁就受到杂质的穿 孔，因此杂质存在使畴壁移动时不仅发生表丽能密度的变化，而且畴壁面积的变 化也十分显著。所以，这种情况最好的用磁畴的全部自由能y 来讨论。畴壁在杂 质或气泡集中的位置时面积最小，因此能量最低，如图4 8 中0 所示。当加上一 个磁场使磁畴壁移动离开这个位置时，畴壁的面积要增大，如图4 8 中l 、2 所示。 畴壁自由能增高，这就给畴壁迁移造成了阻力。如畴壁内由杂质的分布不同而造 成移动时自由能的变化如图4 8 ( b ) 所示，则可解释不可逆磁化产生的原因。 西安建筑科技大学硕士论文 拶i i 弧l i l 怜l ； y t ，0 ， 0 一，f 百 o ol2 ( a )( b ) 图4 8 夹杂物存在时，畴壁移动不意图 ( a ) 杂质存在，磁畴的自由能；( b ) 杂质分布不同造成移动时自由能变化 以上两种理论都有一定的可取之处。首先，e c a p 变形是一种纯剪切变形，而 冷轧是- r e 延展变形。尽管二者的受力状态都为三向压应力，但就变形剧烈程度 而言，前者远远大于后者。因此在内应力的分布上，经e c a p 变形的晶体必然具 有比冷轧变形晶体更大的内应力，因此它有着更好的磁滞性能。这就可以用应力 理论来说明表4 1 所反映的现象：尽管e c a p 变形试样的工程应变小于冷轧，但其 磁滞性能却优于后者。其次，在e c a p 变形后，晶体内的位错密度、胞状亚结构、 空位、堆垛层错等晶体缺陷的数量也必然超过冷轧。按照杂质理论，f 是这些缺 陷的大量存在才使得合金的矫顽力及剩磁比冷轧有显著地提高。 此外，还应该注意到经过a 方式强烈的塑性剪切变形后，晶粒可以细化微米 级从而接近单畴状态，会提高晶粒之间的交换力，而这个交换力正是磁性的来源 1 5 4 1 。有文献提出应用晶粒细化来制备具有优良磁性能的纳米磁性材料，这应该是 一个值得研究的方向。 4 4 本章小结和展望 本章节从三个方面探讨了2 j 4 精密合金e c a p 变形后获得优异磁滞性能的理 论根据。而实际上，工业用合金在大变形量冷轧后都需要进行回火处理，以提高 其硬度、韧性及利用两相回复来进一步提高合金的磁性能。本论文作为课题的一 部分只对冷轧态作了试探性的研究，取得了很好的效果。由于2 j 4 合金对回火温度 非常敏感，很小的温度偏差就会造成其磁性能较大地差异，因此需要进一步探讨 适当的回火制度，使e c a p 法成为应用实践的有效加工方式。 西安建筑科技大学硕士论文 第五章结论 本实验应用e c a p 变形轻松地达到普通冷轧较难实现的大的变形量以满足相 变的需要，同时变形比冷轧更为剧烈。经过实验得出了以下结论： 1 、本实验成功的实现了室温下半硬磁材料2 j 4 合金a 方式的e c a p 变形， 制备出块状的2 j 4 磁滞合金。 2 、2 j 4 合金的相变机理为应力诱导马氏体相变，在强烈的塑性变形下实现了 从) ，寸口的组织转变。 3 、通过实验发现马氏体转变量随着变形量的增加而增大，二者存在正相关关 系。 4 、e c a p 变形得到的试样具有比冷轧试样( 相近工程应变) 更优秀的磁滞性 能，表现为更高的矫顽力、剩磁及更大的磁能积，这说明这种工艺是可行的。 西安建筑科技大学硕。l 论文 致谢 本论文是在杜忠泽副教授和王经涛教授的精心指导下完成的，导师严谨的治 学作风、渊博的专业知识和勤于实践的精神使作者受益非浅。衷心感谢导师们几 年来对作者各方面的关心、指导和教诲。 同时感谢冶金工程学院翟克勇、杜殿伟、刘长瑞、刘铁城、西安交通大学材 料强度国家重点实验室的朱蕊花老师、校实验室霍群英老师及师兄冯广海老师、 师弟伍来智及同课题组的康锋、刘仁智、姚筱春等同学对本实验工作的大力支持 和帮助。 感谢家人及学友们对作者攻读硕士研究生期间的大力支持。 西安建筑科技大学硕士论文 参考文献 【1 师昌绪：二十一【壁纪初的材料科学技术，中国科学院院刊f e b 2 0 n o 2 ，9 3 9 9 ， 2 0 0 l 2 】戴礼智，金属磁性材料，上海：上海人民出版社，1 2 ，1 9 7 3 3 】张世远，路权，薛荣华，都有为，磁性材料基础，北京：科学出版社，2 6 ，1 9 9 8 4 】郭殆诚，铁磁学，北京：人民教育出版社，5 1 ，1 9 6 5 5 】钟文定，铁磁学，北京：科学出版社，4 6 ，1 9 7 1 6 】何开元，精密合金材料学，北京：冶金工业出版社，9 8 1 0 0 ，1 9 9 8 【7 】徐洲、赵连诚，金属固态相变原理，北京：机械工业出版社，1 9 8 7 8 余永宁金属学原理北京：冶会工业出版社，2 0 0 0 【9 戚正风，金属热处理，北京：机械工业出版社，1 9 8 7 1 0 】莫洛季洛娃，简光祈译，精密合金手册，北京科学技术出版社，2 0 6 2 1 8 ， 1 9 8 9 【1 1 】吴东鑫，新型实用传感器应用指南，北京：电子工业出版社，1 9 9 8 【1 2 柯成，金属功能材料词典，冶金工业出版社，p p 7 - 8 ，1 9 9 9 1 3 b a r a n w b r e u e r w f a h l e n f r a c h h a n d j a n s s e n k j a p p l i e d p h y s i c s ，3 6 1 9 5 5 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i o nsl ：f i n i t e - e l e m e n tm o d e l i n go f n o n i s o t h e r m a le q u a l c h a n n e l a n g u l a re x t r u s i o n j 】，m a t e r i a l s t r a n s a c t i o n s ，v 0 1 3 0 a ，1 3 9 1 - 1 4 0 2 ，1 9 9 9 2 3 】m n e m o t o ，f 1 本金属学会会报，n o 3 2 ，8 7 6 8 9 8 ，1 9 9 3 2 4 】v m s e g a l ，m a t e r s c i e n g ，a i9 7 ，15 7 ，19 9 5 2 5 】m f u r u k a w a ，y , 1 w a h a s ，z h o r i t a ，m n e m o t o ，t g l a n g d o n ，m a t e r s c i e n g ，a 2 5 7 ， 1 2 3 5 一1 2 3 6 ，1 9 9 8 【2 6 】a i d a n gs h m a ，i n - g em o o n ，h u n g s u kk o ，j o n g w o o p a r k ：d i r e c to b s e r v a t i o no f s h e a rd e f o r m a t i o n td u r i n ge q u a lc h a n n e l a n g u l a rp r e s s i n go fp u r e a l u m i n u m ，s c r i p t a m a t e f i a l i a , v 0 1 4 1 ，n o 4 ，3 5 3 - 3 5 7 ，1 9 9 9 k 口口 【2 7 】刘祖岩，王尔德，王仲仁：等径侧向挤压变形载荷的有限元分析，塑性1 ：程 学报，v 0 1 6 ，n o 3 ，7 1 1 ，s e p t 1 9 9 9 【2 8 】谭树青，王经涛，塑性加工物理基础，冶金工业出版社，1 9 9 5 2 9 张旺峰等：马氏体相变诱发塑性量化表征及合金元素的影响。材料研究学报， v 0 1 1 5 ，n o 3 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