烧结SmCo永磁材料断裂

烧结烧结SmCoSmCo永磁材料断裂永磁材料断裂 A辑 第32卷第10期SCIENCE INCHINA Series A xx年10月烧结SmCo永磁材料的断裂 李安华 董生智李卫 钢铁研 究总院功能材料研究所 北京100081 摘要对烧结Sm2Co17型永磁材料 的抗弯强度和断裂韧性K IC进行测定 对其抗弯断口进行扫描电子显微镜观察及能谱分析 研 究了烧结Sm2Co17型永磁材料的断裂行为及其微观机制 研究结果表 明烧结Sm2Co17型永磁材料的断裂为解理断裂 断面上存在富Sm的氧 化物夹杂 富Sm夹杂物的存在有利于减低烧结Sm2Co17型永磁材料的 解理脆性 并由此提出改善烧结Sm2Co17型永磁材料强韧性的途径 关 键词钐钴永磁抗弯强度解理断裂与烧结钕铁硼永磁材料相比 烧结钐 钴永磁材料不仅具有优良的磁性能 而且具有耐腐蚀耐高温和低温度 系数等特性 1 2 即使是在钕铁硼永磁材料广泛使用的今天 在某些 应用领域 如航空航天和精密仪表 钐钴永磁仍然具有不可替代的地 位 但是钐钴永磁存在一个致命弱点 即它的脆性很大 其断裂韧性小 于2MPa m1 2 3 烧结钐钴永磁材料脆性大难以加工的弱点 不利于器件的轻 型化小型化 也使其在冲击和振动较大的场合的应用受到限制 4 5 长期以来人们对钐钴永磁的研究主要集中在如何提高其磁性能上 对 材料的力学特性研究很少 有少数研究者曾针对由于钐钴脆性造成的 生产加工中的一些具体问题做过研究 例如 20世纪70年代末孙天铎 6 等人曾针对15型钐钴环在制备过程的开裂问题 对材料的热膨胀性 等力学性能进行过研究 20世纪80年代末傅恒志1 等人采用铸造 热 压法 通过在钐钴脆性基体中引入少量塑性相 Co枝晶 来减低钐钴脆 性改善其机械加工性能 取得了良好的效果 但是铸造 热压法生产的 钐钴永磁体的磁性能较低 其 BH m只有71kJ m 3左右 7 这较烧结钐钴永磁体的磁性能低得多 迄今为止 对钐钴 永磁材料的力学特性断裂机理的系统研究鲜见报道 本文对烧结Sm2C o17型永磁材料的断裂机理进行研究 以求为改善Sm2Co17型永磁材料 的强韧性提供一些理论依据 1实验过程本研究使用的材料为Sm2Co17 型烧结永磁材料 试验材料的磁性能和其他物理性能如表1所示 抗弯 试验采用3点弯曲试验法 抗弯试验试样是用电火花线切割方法从一 块状磁体上切取的 抗弯试样尺寸为5mm6mm19mm 测量跨距为14 7mm 断裂韧性K IC的测量采用SENB法 试样尺寸为10mm20mm74mm 切口宽度为0 18mm 切口深度为10mm 试验跨距为70mm 抗弯试验和断裂韧性K IC的测定都是在MTS880 25T型低周疲劳试验机上进行的 加载速率为0 1mm min 加载方向与 试样磁场取向方向垂直 利用LEO1450型扫描电镜对试验合金的组织 形貌进行观察 用KEVEX Sigma能谱分析系统进行相分析 利用S 250MK3型扫描xx 05 11收稿 国家自然科学基金资助项目 批准号 59901010 E mail Li ah sina 1 刘新材 定向凝固稀土钴永磁材料的研究 西安 西北工业大学 1989 40 53第10期李安华等 烧结SmCo永磁材料的断裂871电镜观察抗弯断口 用Link公司生产的N H10000型能谱仪进行相分析 表1试验合金的磁性能 BH max kJ m 3i Hc kA m 1b Hc kA m 1B r T Hv g cm 322411948161 118058 402实验结果2 1材料的抗弯强度及断裂韧 性表2列出了试验合金的抗弯强度和断裂韧性的测试结果 表2试验合 金的机械性能试样号12345平均值抗弯强度 MPa138127144136断裂韧 性K1C MPa m1 21 891 581 742 2材料的显微组织图1为试验合金的显微组织形 貌 与烧结NdFeB磁体不同的是 烧结Sm2Co17磁体晶粒之间结合很紧 密 事实上 烧结Sm2Co17磁体很难腐蚀 主相晶粒之间没有低熔点晶 界相存在 且磁体晶粒度较烧结NdFeB大 平均晶粒尺寸在20m左右 图 1 a 中的白色相为富Sm的氧化物夹杂 其成分见图1 b 尺寸较大的 夹杂物已在制样过程中碎裂剥离 可见该种夹杂物为脆性夹杂 仔细 观察可以看出 试样在磨金相的过程中发生了穿晶断裂 表明基体的 脆性很大 各相成分列于表3 2 3断口的宏观形貌观察试验合金在弯 断以前的变形量只有0 05mm 变形率为1 左右 表现出了很强的脆性 对断口的宏观观察表明 断口呈明显的脆断特征断口具有闪烁金属光 泽 未见纤维区和剪切唇 放射花样也变得很细 如图2所示 箭头所指 为断裂源 2 4材料解理断裂的微观机制试样弯断后立即置于S 250MK3型扫描电镜下对断口的微观形貌进行观察及能谱分析 图3为 试验合金显微断口的典型形貌 较高的放大倍数下 从1000 3000倍 可观察到在平坦的断面上的河流花样解理台阶等解理形貌特征 如图 3 a 所示 注意到 Sm2Co17型磁体断裂时还可通过次生解理方式形成 的解理台阶也称二次裂纹 如图3 b 所示 图3 c 所示河流连续地穿 过小角度倾斜晶界 图3 d 为解理裂纹通过扭转晶界时河流激增 可 见烧结Sm2Co17型永磁材料断裂的微观机制为解理断裂 2 5富Sm夹杂 物对材料解理断裂的影响在断口上存在为数不少的颗粒状富钐夹杂 物 如图4 a 所示 其能谱分析见表4 该种富钐夹杂物为脆性夹杂 在 解理断裂过程中较大的夹杂物破碎成小颗粒甚至剥离 但夹杂的破碎 并没有导致应力集中 因为在夹杂周围未发现微裂纹产生 大多数尺 寸较小的富钐夹杂都在断裂过程中剥离 并在裂纹扩展方向上留下尾 巴 如图4 b 所示 尾巴的形成会消耗872中国科学 A辑 第32卷图1试 验合金的显微组织 a 显微组织的背散射电子像 b a 中白色相 富Sm的氧化物夹杂物的能谱表3合金各相的EDAX结果 原子百分数 成 分Sm CoCu FeZr Pr基体相13 0659 867 0818 681 33晶界处12 3961 016 9018 391 3 1白色相 富Sm的氧化物夹杂 57 2831 298 433 00 其中氧含量受仪 器所限无法定量较多的能量 从而降低应力集中的程度 阻碍材料的 解理断裂 图4 c 所示解理裂纹止于较大的夹杂物形成的塑坑前 图4 d 所示夹杂物的存在也可改变解理的扩展方向 从而减低材料的解 理断裂趋势 3讨论解理断裂是一种在正应力作用下的穿晶断裂 当应 力增加到超过金属的局部内聚力时 第10期李安华等 烧结SmCo永磁材料的断裂873引起原子间键合的破坏 就以解理的方 式发生断裂 可见产生解理脆断必须有一定的应力集中机制 且局部 的高应力不能发生应力松弛 8 烧结SmCo永磁材料发生解理断裂主 要是因为 1 Sm2Co17型永磁的晶体结构属于菱方晶系 与密排6方结构同为层 状堆垛结构 但其对称性远较密排6方晶格差 由此推断 Sm2Co17型永 磁合金的滑移系统少于密排6方结构的金属 具有密排6方结构的金属 具有3个滑移系统 10 其内部滑移系统严重不足 但即使是很脆的 材料 在裂纹前端的区域内总有或多或少的塑性变形存在 当载荷达 到一定数值时 材料发生塑性变形 这时由于合金的滑移系统不足 位 错反应容易形成不动位错 随后运动的位错塞积在不动位错面前产生 很高的应力集中 且这种应力集中无法因塑性变形而松弛 最终导致 解理裂纹的出现 在脆性材料中 解理裂纹一旦出现 由于尖端缺口效 应 裂纹将失稳扩展造成解理断裂 图3烧结Sm2Co17解理断裂的微观 形貌 a 典型的解理形貌 b 通过次生解理方式形成解理台阶 c 河 流连续地穿过小角度倾斜晶界 d 解理裂纹通过扭转晶界时河流激 增图2低倍下烧结Sm2Co17抗弯断口的典型形貌874中国科学 A辑 第3 2卷图4富Sm夹杂物对烧结Sm2Co17解理断裂的影响 a 富Sm夹杂物形 貌 b 富Sm夹杂物在断裂过程中被剥离 在裂纹扩展方向上留下尾巴 c 解理裂纹止于大夹杂物形成的塑坑前 d 夹杂物改变裂纹扩展 方向表4断口上各相的EDAX分析结果 原子百分数 成分Sm CoCu FeZr1 断裂碎屑 12 05057 0435 03723 1662 7042 富Sm夹杂 73 81 311 2120 9076 8117 2573 解理面 12 02957 1605 11522 7972 899 2 烧结Sm2Co17型永磁材料是经取向然后烧结而成的 相邻晶粒的c 轴取向几乎相同 晶粒错排度很小 其晶界也不象普通金属那样为位 错密集区 烧结Sm2Co17型永磁材料的显微组织结构有点象金属经大 量冷加工变形以后出现的织构 由文献 10 可知 晶界特别是大角晶 界对解理裂纹的传播是个很大障碍 而当金属有明显织构时 裂纹就 会在相当长的距离内穿过实际上具有相同取向的晶粒而扩展 使材料 的解理断裂更易进行 结果使韧性相应地下降 烧结Sm2Co17永磁合金 由于内部滑移系统不足和粉末冶金的制备工艺 导致其强度和韧性很 低 但是6方结构强的晶体结构各向异性及粉末冶金的烧结工艺恰是 烧结Sm2Co17永磁获得较高永磁性能的重要条件 所以从一定程度上 说 获得高强韧性与获得高磁性能是一对矛盾 由文献 10 可知 质点 使解理容易受阻 因为质点通过形成的空穴使应力集中得到弛豫 在 合金中引入同基体结合良好的具有较高强韧性的球形质点和纤维 或 许可使烧结Sm2Co17永磁材料在具有较高磁性能的同时提高其强韧性 这种方法已被广泛应用于陶瓷等脆性材料的补强增韧 11 13 4结 论第10期李安华等 烧结SmCo永磁材料的断裂875 烧结Sm2Co17永磁材料的断裂方式为 脆性解理断裂 烧结Sm2Co17永磁材料的强的室温脆性主要是由于其 晶体结构复杂滑移系统不足造成的 烧结Sm2Co17永磁较强的室温脆 性也与其粉末冶金的制备工艺有关 烧结Sm2Co17永磁材料中富Sm 夹杂物的存在有利于减低其解理脆性 在烧结Sm2Co17永磁材料中引 入同基体结合良好的具有较高强韧性的球形质点和纤维有利于提高 其强韧性 参考文献1Hadjipanayis GC Magic hardeningin Zr substituted2 17rare earth permanent mags J ApplPhys 1984 55 6 2091 20932Kumar K RETM5and RE2TM17permanentmagsdevelopment J ApplPhys 1988 63 6 13 543Horton JA Herchenroeder JW Wright JL Mater Trans JIM 1996 37 4 860 8634唐任远 现代永磁电机理论与设计 北京 机械工业出版 社 1997 12 135周寿增 稀土永磁材料及其应用 北京 冶金工业出版 社 1999 27 81 856孙天铎 祝景汉 王德文 稀土钴永磁合金的各向 异性热膨胀性及辐向取向环体的开裂 金属学报 1979 15 1 58 687陈钟敏 史正兴 傅恒志 等 铁铬含量和凝固速率对可加 工稀土钴永磁合金中塑性相数量的影响 金属材料研究 1988 14 2 17 208石德珂 材料力学性能 西安 西安交通大学出版社 1998 65 669史美堂 金属材料及热处理 上海 上海科学技术