【《关于Ni-Mn-Ga高温记忆合金的研究文献综述》4600字】

关于Ni-Mn-Ga高温记忆合金的研究文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u11696关于Ni-Mn-Ga高温记忆合金的研究文献综述 1187261.1现阶段对形状记忆合金的研究 1133931.1.1研究的意义及目的 117561.1.2形状记忆合金的研究现状 2115241.1.3形状记忆效应与超弹性 249681.2Ni-Mn-Ga高温记忆合金 3325371.2.1Ni-Mn-Ga的合金结构与相变 489891.2.2掺杂元素对Ni-Mn-Ga相变温度的影响 5303921.2.3掺杂元素对Ni-Mn-Ga力学性能和记忆效应的影响 67715参考文献 11现阶段对形状记忆合金的研究研究的意义及目的形状记忆合金有很好的记忆性能，它作为一种智能材料被拿来应用到了许多领域，比如我们熟悉的家庭电器、电子领域、航空航天、新能源等，直到现在形状记忆合金已经得到了广泛的应用。合金在加热下达到高温条件，其形状回复到低温状态时的形状，这就是合金的形状记忆性能，而超弹性就是在外力加载的状态下，合金发生变形，外力卸载后又会回复原形状，总的来说其中的机理就是外力诱发母相发生了马氏体相变，之后的外力消除后的合金又会产生逆相变。形状记忆合金有许多良好的特点，比如：回复力大、既做传感元件又做执行元件，回复应变大等，把它作为一种智能材料使用可以收到广泛的关注。Ni-Mn-Ga高温形状记忆合金有许多的优势，它本身的热稳定性能就较好，在进行实验研究时合金自身可以较大范围内调节合金的相转变温度，虽然合金的记忆性能还很不错，但合金很脆，力学性能不太好，形状记忆性能也较差。为改善其力学性能，更好的进行应用，改善这些缺点的方法有添加第四元素、引入第二相和用特殊工艺来制备合金等。形状记忆合金的研究现状在1932年首次发现了形状记忆效应，是Olander做Au-Cd合金的研究时，不过那个时候没有在意，没有重视起来REF_Ref9641\r\h[9]。之后张禄经、Read在观察Au475at.%Cd合金的时，这时形状记忆效应才被发现REF_Ref7450\r\h[7]：低温相的马氏体还有高温相的奥氏体，二者的接触面随着温度的不断下降逐渐向奥氏体处移动（正转变：奥氏体相—马氏体相），随着温度的升高逐渐向马氏体相移动（逆转变：马氏体相—奥氏体相）。1953年的时候，M.W.Bukart和T.A.Read在InTi合金中观察到了一种由热弹性而引起的形状记忆效应。虽然在当时已经发现了形状记忆效应的原理，但是在当时仍然没有引起很高的关注度。Buehler等人在美国的海军武器实验室研制新式装备，他们采用了Ti-Ni合金丝，他们将Ti-Ni丝拉直后，随后将温度提高，合金丝竟然又回复到了当初弯曲的形状，这时形状记忆效应才真正得到了研究人员们的重视REF_Ref7529\r\h[8]。到1969年合金的形状记忆效应才开始被运用到实际中来，其良好的实用性能致使全世界的科研人员对形状记忆性能开始进行研究和发展。1975年到1980年前后大批研究人员对形状记忆性能机制进行了研究，还有超弹性问题也进行了深入的研究。经过研究人员的深刻研究，在相变过程中的一些机制和方式已经基本得到了统一的认知。形状记忆效应与超弹性有热弹性马氏体相变能力的记忆合金在临界温度下变成所指定的形状，加热后转变成母相恢复成原来的形状，也就是塑性变形恢复，即形状记忆效应。如图1.1为记忆合金压缩应力-应变。图1.1形状记忆合金典型的应力-应变曲线单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应，这都属于形状记忆效应，直观分类如图1.2REF_Ref17965\r\h[4]。（1）单程形状记忆效应：低温情况下合金形状变形，升温后即恢复，对高温相形状有记忆的效应被叫做单程形状记忆效应。（2）双程形状记忆效应：低温发生变形，加热后变成高温相形状，再降低温度会又恢复成低温相形状，对这两种形状有记忆的叫做双程形状记忆效应。（3）全程形状记忆效应：合金在较低温度时会发生变形，经过加热，变成高温相形状，降温后形状相同取向相反，这就是全程形状记忆效应。超弹性就是对产生的热弹性马氏体相变施加应力，温度高于奥氏体转变温度就会发生只能在应力作用下稳定存在的马氏体相变，应力消除后，回复到能发生逆相变的母相。应力应变曲线是非线性，在本质上与传统材料有着很大的区别。典型的超弹性应力-应变曲线如图1.3REF_Ref19915\r\h[11]。Ni-Mn-Ga高温记忆合金Ni-Ti二元合金凭借它优异的抗腐蚀性能和形状记忆效应，在医疗医药、航天航空领域得到了极其广泛的应用，这种形状记忆合金可以很好的用作商用。但是其Ms点低于100℃，不能在高温下很好的应用。国内外学者研究人员通过添加不同的元素控制它的相变温度，就为使其在高温下应用能得到进一步的发展。图1.2形状记忆效应的三种形式图1.3典型的超弹性应力-应变曲线图Ni-Mn-Ga的合金结构与相变像是X射线突变、表面浮凸、出现热效应、合金电阻率下降、电子衍射时花样突变等都是由于合金的结构、组织上的不同，还会发生热弹性转变。Ni2MnGa合金的母相结构，是比较熟悉的L21结构，其晶体结构如图1.4所示，是个超点阵，一共有四个面心立方晶格，Ni，Ga，Ni，四个次晶格包括锰元素，（0,0,0），（1/4,1/4,1/4），（1/2,1/2,1/2）和（3/4,3/4,3/4）是对应的坐标。而对于Ni-Mn-Ga合金，因为原子散射因子比较像，所以经过观察很难发现其母相的有序特征，但B2结构的第一近邻有序化特征被显示出来。Ni2MnGa的母相晶体结构还有其母相的结构都是L21，都是由八个BCC结构或是四个FCC的亚结构组成的，当发生马氏体的相变时，都是由立方结构转到四方结构REF_Ref996\r\h[1]。图1.4Ni2MnGa母相的L21结构掺杂元素对Ni-Mn-Ga相变温度的影响稀土元素加入Ni-Mn-Ga合金后会严重影响其相变温度。比如Sm加入合金后会降低马氏体转变温度，Tb会由于合金成分对其相变温度有影响。Ni52Mn24.7Ga23.3Dyx（x=0~0.4）合金的Dy元素的增加时也开始增加，当升到x=0.2时达到最大，之后会逐渐降低。铽元素的含量增多，Ni49Mn29Ga22-xTbx合金的相变温度先升高，再降低，Ni50Mn29Ga21-xTbx合金的相变温度升高；用1at.%的Tb将Ni48Mn33Ga19合金中的Ga代替，使马氏体温度能够降低。ShuiyuanYang等研究人员通过用Co来替换Mn元素在室温下来对Ni56Mn25-xCoxGa19合金的影响做了XRD测试，发现在x=4.8时会存在面心立方结构的Y相还有四方结构的马氏体相。当Co含量不断变多，对于合金的马氏体温度会降低，从411度降低370度，这主要是因为电子浓度的降低REF_Ref1310\r\h[3]。Xin等人一起研究了双相Ni58Mn25Ga17合金，其温度在450摄氏度之上，相变温度处于室温到650摄氏度之间。加入Al、Fe、Co、Si等元素到合金中，会对Ni-Mn-Ga合金居里温度还有它的马氏体相变有影响。对于Ni54Mn25Ga21-xAlx的研究发现因为铝元素的原子半径很大晶胞体积大，含量较多，它的马氏体相变温度会大幅度的下降REF_Ref22753\r\h[12]。将Ni-Mn-Ga合金中的Mn元素替换掉，向合金中添加铁、铜、钴等元素，会发现合金的记忆效应增加，晶粒尺寸减小，这都是由于合金中形成了一种新相γ相，第四组元元素选择稀土元素加入会细化晶粒、改善其性能，富稀土相还会改善其脆性。掺杂元素对Ni-Mn-Ga力学性能和记忆效应的影响Ni-Mn-Ga合金的晶粒尺寸，在掺杂稀土元素Dy、Sm、Tb后，得到细化。Ga被2at.%的Tb代替后尺寸降低。赵增祺等在将Tb掺杂到Ni50Mn29Ga21合金后能看出晶粒被细化，氧含量降低，抗弯强度提高。合金的压缩强度在Tb含量为增加到2at.%时为600MPaREF_Ref4077\r\h[5]。高丽研究发现，在合金中加入稀土元素后，含量超过的1at.%会使断裂应变增大，并在此达到最大，超过这个含量会降低其断裂应变。用铁代替锰元素引入的γ相可以来提高强塑性，强化效果还取决于γ相含量、位置、形态等多种因素REF_Ref4514\r\h[6]。图1.5为Ni56Mn25−xFexGa19（x=0,4,6,8）合金在快速凝固过程中把它用外力压缩直至断裂时形成的应力与应变之间的曲线关系。在铁的原子分数达到4%时，压缩变形率略增，抗压强度几乎不变，；原子分数增到6%时会有γ相来提高合金的压缩变形率、抗压强度，当Fe的原子分数继续增加直至达到8%时，γ相不断增加后，合金的抗压强度非增却略有下降，而且含量增加，合金压缩变形率也略有降低。从含双相的合金无论是塑韧性还是强度都比单相的好能看出γ相对它们起到了促进的作用。γ相在6Fe合金中很是细小，它在晶界边缘处分布，强化了晶界，然而γ相含量增加的时，合金所具有的强度和塑性相反会略有下降。可见只有很好的控制γ相的含量、形态及分布才能有好的效果，那么可以用铁代替γ相了来提高塑韧性和强度，且γ相的含量、位置、形态等都会有影响。将Ni56Mn25-xFexGa19（x=0,4,6）合金压缩至不同的预应变再来加入Fe来研究。图1.6中有一个箭头，是合金压缩后回温至相变温度所获得的回复应变。当预应变逐渐升高至10%的时候，合金的形状记忆应变分别对应的是5.0%、4.4%和2.0%，回复率降低。从图1.7看出当预应变相同时合金的形状记忆可回复率会随着铁元素的含量而发生变化，图中可明显看出在4Fe与6Fe之间时记忆性能骤降，是因为析出了γ相，而对于一种合金来说，形状记忆回复应变与预应变一同增长REF_Ref17044\r\h[10]。Ni-Mn-Ga-Gd合金的形状记忆效应：Ni54Mn25Ga20Gd1合金的形状记忆效应在图1.8用曲线形式表示了，总预变小于3%，合金中残留下的应力应变在高温条件下加热就会回复到原来，只有预应变达到4%的时候，记忆效应最大，再增大就会下降。多余的滑移系启动，造成太多的位错塞集降低了可恢复应变量。图1.9是Ni54Mn25Ga20Gd1合金压缩到预应变后的温度与形状回复率的关系曲线。通过观察图能发现温度在179.8摄氏度以下时，合金的形变不会回复，达到179.8摄氏度后，温度再升高，形变即刻回复到209.8摄氏度，处于稳定状态，之后的变化不大REF_Ref5697\r\h[2]。表1列出的是把Ni54Mn25Ga21-xGdx合金压缩至4%时的记忆性能的数据，合金的形状记忆可回复应变会在Gd增多后，增加一直到1at.%，此时为最大的1.9%，继续增加到2at.%时，性能应变降低且幅度较大。Gd含量的增加改善了合金的记忆回复率，由37.5%提升至95%。图1.5Ni56Mn25−xFexGa19（x=0,4,6,8）快速凝固合金的外力压缩直至断裂的应力–应变关系曲线图1.6Ni56Mn25-xFexGa19合金被压缩至预应变为10%后再卸载的应力–应变关系曲线图1.7Ni56Mn25-xFexGa19（x=0,4,6）合金压缩至不同预应变时的形状记忆回复应变和回复率图1.8Ni54Mn25Ga20Gd1合金压缩变形时的形状记忆效应a)永久应变、形状记忆应变与总应变之间的关系；b)是形状记忆回复率与总应变之间的关系图1.9Ni54Mn25Ga20Gd1合金压缩至一定预应变后形状回复率与温度的关系曲线表1Ni54Mn25Ga21-xGdx合金在压缩至4%时的形状记忆性能图1.10描述的是形状记忆效应在Ni54Mn25Ga21-xGdx合金预应变达到4%时的曲线。Gd含量在总预应变为4%时增加，形状记忆回复率增大，且形状记忆可回复应变先增后降，形状记忆回复率变大。形状记忆可回复应变在Gd含量达到1at.%时最大。Gd的掺杂会使形状记忆效应提高，但Gd含量过多后，就会影响形状记忆效应的提高REF_Ref5697\r\h[2]。图1.10Ni54Mn25Ga21-xGdx合金预应变为4%时的形状记忆效应a)永久应变和形状记忆应变与Gd含量之间的关系；b)形状记忆回复率与Gd含量之间的关系REF_Ref5697\r\h[2]图1.11是将Ni54Mn25Ga21-xGdx合金受外力打压到4%预应变，所反应出的温度和回复率的关系。在199.8摄氏度时，Ni54Mn25Ga21合金开始回复原形状直到219.8摄氏度时停止，Ni54Mn25Ga20.9Gd0.1合金在219.8-279.8摄氏度之间进行了回复而Ni54Mn25Ga20.8Gd0.2合金在189.8-219.8摄氏度进行回复；还有Ni54Mn25Ga20.5Gd0.5合金在159.85-189.8摄氏度回复；Ni54Mn25Ga19Gd2合金在169.8摄氏度时开始形状回复，209.8摄氏度回复停止。图1.11Ni54Mn25Ga21-xGdx合金压缩至4%预应变后形状回复率与温度的关系曲线通过在合金Ni54Mn25Ga21-xGdx上加上外力，变形后，高温下会回复，并试件伸长，降回室温后又缩短，回复到原来长度。Gd的量增加使可逆应变的双程过程先增后降，而且升到1at.%时会达到4%的变形量，不仅如此，预变形量也会让逆应变增高后降低。参考文献郝雨筱.Ni-Mn-Ga系高温形状记忆合金相变特性及力学性能研究[D].导师：彭良明.中国科学技术大学,2019.张欣.Ni-Mn-Ga-Gd高温记忆合金的组织结构与形状记忆效应[D].哈尔滨工业大学,2010.马云庆,蒋成保,李岩,徐惠彬,王翠萍,刘兴军.Ni54Mn25Ga21合金的高温形状记忆效应[A].中国材料研究学会青年委员会.第十届全国青年材料科学技术研讨会论文集（C辑）[C].中国材料研究学会青年委员会:中国有色金属学会,2005:6.王磊.NiMnGa基形状记忆合金的显微组织研究[D].华北电力大学(北京),2018.L.Marcin,W.