铁磁形状记忆合金马氏体变体重取向行为的热力学模型及其应用

论文摘要

铁磁形状记忆合金（Ferromagnetic Shape Memory Alloys,简称为FSMAs）且有强铁磁性、大磁致应变、响应频率高、磁控形状记忆效应等优点,是一种极具应用潜力的铁磁性功能材料。针对铁磁形状记忆合金材料在横向磁场和轴向应力场作用下的马氏体变体重取向的力磁耦合行为和大磁致应变输出等行为,本文开展了相关的理论研究和数值模拟。首先我们基于复合材料细观力学Eshelby等效夹杂理论和Mori-Tanaka场平均方法,将铁磁形状记忆合金材料内部马氏体变体重取向过程中长大的马氏体变体看作夹杂相、变小的马氏体变体看作基体相,推导出了铁磁形状记忆合金材料在力磁耦合重取向过程中的总应变表达式。其次根据热力学原理,建立了描述马氏体变体力磁耦合重取向行为的热力学模型,其中提出了一形式简单、相关系数实验可测并具有力学意义的马氏体变体重取向的热力学阻力公式,并由此建立了其与驱动马氏体变体孪晶界移动的广义热力学驱动力间的热力学平衡方程。通过选取适当的描述材料马氏体变体重取向过程中微结构变化的内部状态变量,将细观力学理论与宏观热力学原理结合,实现了对铁磁形状记忆合金材料内部马氏体变体力磁耦合重取向行为的描述。进而模拟了描述材料内部马氏体变体微结构变化的三个内部状态变量及磁化强度的演化过程。相关结果表明：本文的模型可以很好地预测铁磁形状记忆合金马氏体变体发生重取向以及逆取向的相关力磁耦合行为；并可以预测马氏体变体重取向过程发生和结束的临界磁场值及变体逆取向过程发生和结束的临界应力值。最后我们还对马氏体变体重取向过程完全不发生、部分发生和完全发生的机理或外界场限制条件进行了讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 铁磁形状记忆合金材料
• 1.1.1 铁磁形状记忆合金的微观晶体结构
• 1.1.2 铁磁形状记忆合金的磁致应变机理
• 1.1.3 铁磁形状记忆合金马氏体变体重取向行为的研究现状
• 1.2 本文主要工作
• 第二章 FSMAs马氏体变体重取向过程中的细观力学理论
• 2.1 Eshelby等效夹杂原理
• 2.2 Mori-Tanaka场平均方法
• 2.3 磁场诱发马氏体变体重取向过程的细观力学理论
• 2.4 应力诱发马氏体变体逆取向过程的细观力学理论
• 2.5 本章小结
• 第三章 FSMAs马氏体变体重取向的热力学过程
• 3.1 马氏体变体力磁耦合重取向行为的热力学本构模型理论
• 3.2 力磁耦合重取向热力学过程发生的条件
• 3.3 本章小结
• 第四章 FSMAs马氏体变体重取向过程与力磁耦合行为分析
• 4.1 磁场诱发马氏体变体的重取向过程
• 4.1.1 重取向力磁耦合行为的相关模拟结果与分析
• 4.1.2 重取向过程发生和结束的磁场临界值的预测与讨论
• 4.2 应力诱发马氏体变体的逆取向过程
• 4.2.1 逆取向力磁耦合行为的相关模拟结果与分析
• 4.2.2 逆取向过程发生和结束的应力临界值的预测与讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 存在问题与研究展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢