新型Ni-Mn-Ga磁致形状记忆合金的晶体结构与微结构研究

论文摘要

近年来,化学成分接近Ni2MnGa的Ni-Mn-Ga磁致形状记忆合金由于具有磁致输出应变大、响应速度快等优点而备受关注。然而,到目前为止仍然有许多关键性的基础问题没有解决,这严重制约了此类合金性能的提高。本论文对Ni-Mn-Ga磁致形状记忆合金的晶体结构、马氏体相变晶体学以及织构演变进行了系统研究,并对Co元素添加对Ni-Mn-Ga合金结构转变和磁转变特征的影响进行了探讨。利用中子衍射对元素周期表中近邻元素组成的材料结构敏感的优势,通过原位中子衍射实验对Ni-Mn-Ga合金的晶体结构和相变进行了研究。研究结果表明Ni48Mn30Ga22合金在373K到293K温度区间内具有立方L21 Heusler奥氏体结构,当冷却到243K时该合金的晶体结构已转变成七层正交马氏体结构,继续冷却到19K的过程中该合金的中子衍射谱没有显著变化,说明该合金中没有发生中间马氏体相变。Ni53Mn25Ga22合金在20K到403K温度区间内具有四方I4/mmm马氏体结构；加热过程中该合金的晶胞体积在室温附近发生突变,与DSC曲线上室温附近的吸热峰相吻合,说明该合金室温附近在马氏体相区存在一个预转变。利用电子背散射衍射（EBSD）技术和晶体学唯象理论分别对Ni53Mn25Ga22合金的马氏体相变晶体学进行了实验研究和理论预测。1073K退火后的Ni53Mn25Ga22合金室温下具有自协作马氏体组织。每个原始奥氏体晶粒内部只有两种不同取向的马氏体变体交替分布,两种变体之间具有复合孪晶关系,孪晶元素为K1＝（112）,K2=（112）,η1＝[111],η2=[111], P=（110）, s=0.379。两种变体之间的差取向为绕<110>轴旋转82°。马氏体孪晶变体之间的界面为（112）面,孪晶界面即为孪生面。同一原始奥氏体晶粒内部两种孪晶变体的相对量之比约为1.70。马氏体相变过程中奥氏体（A）与马氏体（M）之间的主要取向关系为Kurdjumov-Sachs （K-S）关系：[110]A//[111]M。根据晶体学唯象理论计算得到的马氏体相变过程中的惯析面为（0.690-0.102 0.716）A,宏观切变量、切变方向和切变角分别为0.121,[-0.709 0.105 0.698]A和6.88°。在1173K退火后的Ni53Mn25Ga22合金中发现了存在于微米尺度马氏体片层内部的大量纳米尺度的微孪晶。同一马氏体片层内的纳米微孪晶之间具有复合孪晶关系。在该合金中观测到了两种不同的马氏体片层界面,即相互穿插的片层间界面和台阶状的片层内界面。利用差取向计算对通过这两种不同界面连接的纳米孪晶之间的取向关系进行了确定。通过外加包套的方式成功的对Ni-Mn-Ga（-Co）磁致形状记忆合金铸锭进行了等温锻变形。中子衍射实验表明等温锻变形后的合金中具有较强的织构。等温锻变形后的Ni48Mn25Ga22Co5合金的织构在后续室温变形后发生了显著变化,并在随后的淬火后恢复到了室温变形之前的状态；该合金在室温变形和随后热处理过程中的织构演变与其温控宏观形状记忆效应密切相关。在Ni53-xMn25Ga22Cox（x=0-14）合金中用Co替代部分Ni能够有效提高合金的居里温度。当Co含量少于或等于6%时,合金的马氏体相变温度仅稍微降低；当Co含量超过6%时合金的马氏体相变温度急剧降低,可能归因于大量Co元素添加引起的原子占位混乱。这意味着用少量的Co取代Ni有助于开发具有高马氏体相变温度、高居里温度的磁致形状记忆合金。对Ni-Mn-Ga磁致形状记忆合金诸如微观组织结构、晶体学、相变、合金化等基础问题进行深入研究对优化现有Ni-Mn-Ga磁致形状记忆合金的功能行为和开发新型先进磁致形状记忆合金具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 Ni-Mn-Ga磁致形状记忆合金
• 1.2.1 Ni-Mn-Ga合金的晶体结构
• 1.2.1.1 母相的晶体结构
• 1.2.1.2 马氏体相的晶体结构
• 1.2.2 Ni-Mn-Ga合金的相变
• 1.2.2.1 转变次序
• 1.2.2.2 凝固以及无序-有序转变
• 1.2.2.3 预马氏体相变
• 1.2.2.4 马氏体相变
• 1.2.2.5 中间马氏体相变
• 1.2.3 Ni-Mn-Ga合金的磁性能
• 1.2.3.1 居里温度
• 1.2.3.2 磁矩
• 1.2.3.3 磁化强度
• 1.2.3.4 磁各向异性
• 1.2.3.5 磁畴结构
• 1.2.4 Ni-Mn-Ga合金的磁致形状记忆效应
• 1.2.4.1 前提条件
• 1.2.4.2 产生机制
• 1.2.4.3 磁致应变的理论和实验观测值
• 1.2.5 Ni-Mn-Ga合金的微观组织结构
• 1.2.6 Ni-Mn-Ga合金的晶体学特征
• 1.2.6.1 晶体学织构
• 1.2.6.2 取向关系
• 1.2.7 Ni-Mn-Ga合金的力学性能
• 1.2.8 Ni-Mn-Ga合金的合金化
• 1.3 本文的研究意义与研究内容
• 第二章 Ni-Mn-Ga合金晶体结构和相变的原位中子衍射研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料与方法
• 2.3 结果与分析
• 48Mn₃₀Ga₂₂合金的晶体结构与相变'>2.3.1 Ni₄₈Mn₃₀Ga₂₂合金的晶体结构与相变
• 53Mn₂₅Ga₂₂合金的晶体结构、磁结构与相变'>2.3.2 Ni₅₃Mn₂₅Ga₂₂合金的晶体结构、磁结构与相变
• 2.4 本章小结
• 第三章 Ni-Mn-Ga合金的微观组织结构与马氏体相变晶体学特征
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 热处理工艺
• 3.2.3 微观组织结构与晶体学特征测试分析
• 53Mn₂₅Ga₂₂合金的微观组织结构与孪晶关系'>3.3 铸态Ni₅₃Mn₂₅Ga₂₂合金的微观组织结构与孪晶关系
• 3.3.1 差取向计算
• 3.3.2 实验与计算结果及分析
• 3.3.3 本节小结
• 53Mn₂₅Ga₂₂合金马氏体相变晶体学的实验研究与理论预测'>3.4 1073K退火后的Ni₅₃Mn₂₅Ga₂₂合金马氏体相变晶体学的实验研究与理论预测
• 3.4.1 实验与计算结果
• 3.4.1.1 微观组织结构
• 3.4.1.2 马氏体变体间的取向关系
• 3.4.1.3 孪晶界面及孪晶相对量
• 3.4.1.4 奥氏体与马氏体间的取向关系
• 3.4.2 马氏体相变晶体学的理论预测及其与实验结果的比较
• 3.4.3 分析与讨论
• 3.4.4 本节小结
• 53Mn₂₅Ga₂₂合金马氏体片层界面特征及纳米微孪晶间的取向关系'>3.5 1173K退火后的Ni₅₃Mn₂₅Ga₂₂合金马氏体片层界面特征及纳米微孪晶间的取向关系
• 3.5.1 实验与计算结果及分析
• 3.5.2 本节小结
• 第四章 Ni-Mn-Ga合金的塑性变形与织构演变
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 等温锻变形
• 4.2.3 织构演变实验
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 外观照片
• 4.3.2 微观组织结构
• 4.3.3 织构演变与温控宏观形状记忆效应
• 4.4 本章小结
• 第五章 Co元素添加对Ni-Mn-Ga合金性能的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验材料与方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 微观组织
• 5.3.2 晶体结构
• 5.3.3 马氏体相变
• 5.3.4 居里温度
• 5.3.5 压缩性能
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表及待发表的论文