Ni-Mn-Ga铁磁形状记忆合金纤维的制备及应力驱动应变特性研究

论文摘要

本文采用纺丝法高效地制备出了连续性好、成分损失小的Ni-Mn-Ga铁磁形状记忆合金纤维,并对制备工艺参数进行了优化。对制备态纤维在不同的条件下进行了热处理和有序化处理,并分析热处理工艺对纤维组织、成分、相变及磁性能的影响,优化热处理工艺。通过对制备态和热处理态纤维超弹性和形状记忆效应的研究,分析纤维在马氏体和奥氏体状态下的应力驱动应变特性,并讨论热处理和训练处理对纤维应力驱动应变特性的影响。通过改变纺丝法制备过程中加热功率、铜轮转速、进料速度等工艺参数成功地制备出了连续性好、成分损失小的多种不同成分的Ni-Mn-Ga纤维。采用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）对不同纤维进行了形貌和组织观察,采用振动磁强计（VSM）、差示扫描量热法（DSC）、X射线衍射分析（XRD）、能谱分析（EDS）等各种手段分析不同制备状态纤维成分、物相、相变温度和磁性能。通过比较表明,采用优化后的工艺参数当加热功率为14-23kW连续变化、铜轮转速为1400rpm、进料速度为40120μm/s时纤维具有更好的制备状态。对纤维进行了不同条件下的热处理,利用OM、SEM、TEM、EDS、VSM、DSC、XRD等分析手段对不同热处理条件下纤维组织形貌、成分、相变和磁性能等进行了分析。通过比较发现通过在725℃保温2h、700℃保温10h、500℃保温20h对纤维进行化学有序化热处理提高了纤维的马氏体相变温度和磁性能,对于晶粒长大热处理来说,800℃保温1h再进行化学有序化热处理有比较好的结果。对不同制备状态和热处理状态的纤维在动态机械分析仪（DMA）上进行拉伸状态下的应力应变特性研究,结果在纤维中发现了形状记忆效应和超弹性的存在。对于单程形状记忆效应来说,制备态纤维由于晶粒细小及尺寸不均匀的原因、孪晶界可动距离小,没有表现出孪晶界运动应力平台现象;热处理之后纤维有序化程度上升,晶粒长大,孪晶界可动性上升,出现孪晶界运动应力平台。经超弹性训练后纤维单程形状记忆效应恢复的门槛值上升。超弹性方面,热处理之后纤维较制备态具有更明显的超弹性现象,产生超弹性的临界应力也降低了;双程形状记忆训练后,应力诱发马氏体临界应力下降。在双程形状记忆热循环过程中,随着外加应力增大,循环过程中相变温度向高温移动,相变过程应变先显著增加,到临界值后不再发生变化。超弹性训练之后,热循环过程中应变量显著上升,是训练减少孪晶变体数量,提高孪晶界可动性的结果。观察拉伸断裂后纤维断口处形貌,发现纤维拉伸时一般变形在直径小的区域,裂纹一般在胞状晶晶界处萌生,失稳扩展,最终在直径细小处断裂。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 材料的磁性能
• 1.2.1 铁磁性
• 1.2.2 其它磁性
• 1.2.3 磁各向异性
• 1.3 Heusler 合金
• 1.3.1 Heusler 合金的晶体结构
• 1.3.2 Heusler 合金的相变
• 1.3.3 Ni-Mn-Ga 合金的相变
• 1.4 Ni-Mn-Ga 合金的磁感生应变机制
• 1.5 形状记忆合金应力驱动应变特性
• 1.5.1 形状记忆效应
• 1.5.2 超弹性
• 1.6 训练和热处理
• 1.6.1 训练处理
• 1.6.2 热处理
• 1.7 纤维制备方法简介
• 1.7.1 Taylor 法
• 1.7.2 纺丝法
• 1.8 选题意义和主要研究内容
• 1.8.1 选题意义
• 1.8.2 本课题主要研究内容
• 第2章 试验材料的制备及主要分析方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 纤维制备
• 2.2.1 合金铸锭成分的选择
• 2.2.2 纤维的制备方法
• 2.2.3 纤维的热处理
• 2.2.4 纤维的训练处理
• 2.3 成分、组织、物相与磁性能分析
• 2.3.1 金相组织（OM）观察
• 2.3.2 扫描电镜（SEM）观察
• 2.3.3 透射电镜（TEM）观察
• 2.3.4 X 射线衍射（XRD）分析
• 2.3.5 DSC 热分析
• 2.3.6 磁性能测试
• 2.4 应力驱动应变特性分析
• 2.4.1 样品制备
• 2.4.2 应力驱动应变测试
• 第3章 Ni-Mn-Ga 纤维纺丝法制备与热处理工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 纤维纺丝法制备流程
• 3.3 Ni-Mn-Ga 热处理工艺研究
• 3.3.1 制备态纤维组织、成分及物相分析
• 3.3.2 热处理态纤维组织、成分及物相分析
• 3.4 Ni-Mn-Ga 纤维制备工艺研究
• 3.4.1 纤维制备及宏观形貌
• 3.4.2 制备态纤维显微组织
• 3.4.3 制备态纤维成分分析
• 3.4.4 制备态纤维物相分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 Ni-Mn-Ga 纤维相变及磁性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 Ni-Mn-Ga 纤维马氏体相变
• 4.2.1 制备态纤维马氏体相变
• 4.2.2 热处理对纤维马氏体相变的影响
• 4.2.3 训练对纤维马氏体相变的影响
• 4.3 Ni-Mn-Ga 纤维磁性能研究
• 4.3.1 制备态纤维磁性能
• 4.3.2 热处理对纤维磁性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 Ni-Mn-Ga 纤维应力驱动应变特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 Ni-Mn-Ga 纤维应力驱动应变行为影响因素
• 5.2.1 标距长度
• 5.2.2 表面状态
• 5.2.3 加载卸载速率
• 5.3 Ni-Mn-Ga 纤维单程形状记忆效应研究
• 5.3.1 制备态纤维单程形状记忆效应
• 5.3.2 热处理后纤维单程形状记忆效应
• 5.3.3 单程记忆效应门槛值
• 5.4 Ni-Mn-Ga 纤维超弹性研究
• 5.4.1 制备态纤维超弹性
• 5.4.2 热处理后纤维超弹性
• 5.4.3 训练对超弹性的影响
• 5.5 Ni-Mn-Ga 纤维双程形状记忆效应研究
• 5.5.1 外加载荷对纤维双程形状记忆效应的影响
• 5.5.2 超弹性训练对纤维双程形状记忆效应的影响
• 5.6 拉伸断口形貌分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢