Ni-Mn-In變磁形狀記憶合金的定向凝固行為和馬氏體相變特征.pdf

1、Ni-Mn-X(X=In，Sn，Sb)變磁形狀記憶合金是一種典型的集多種功能于一身的新型功能材料，如磁熱效應和磁場誘發(fā)大應變等。其中，具有磁致大熵變效應的磁性材料是一種關鍵的固態(tài)制冷劑，其制冷效率比傳統(tǒng)壓縮氣體提高約30％，且無污染，噪聲低，體積小和壽命長，是未來綠色環(huán)保節(jié)能的制冷方式。另一種具有磁場誘發(fā)大變形合金由于其高頻性能和巨磁應變響應被視為下一代驅動器和傳感器關鍵材料。因而，這類變磁形狀記憶合金同時具有磁場下的大應變和大溫變效應

2、，可實現(xiàn)在多種環(huán)境下磁-熱-機械能之間相互轉換，是一種新型能源轉換材料，不僅具有豐富的物理內涵而且在智能磁驅動器和磁致冷方面廣泛的應用前景。
　　本文針對Ni-Mn-In變磁形狀記憶合金馬氏體相變溫度的成分敏感性、嚴重脆性和熱滯后三個難題展開了系統(tǒng)的研究。一方面，在該系合金已知成分空間內建立了合金中各組元與馬氏體相變溫度之間的經(jīng)驗性數(shù)學關系，可實現(xiàn)對該成分范圍內的合金相變溫度預測，為合金設計和成分選擇提供了相關的理論和實驗基礎。在

3、此基礎上，通過進一步拓展該系合金的成分空間，我們獲得了熱滯后較小的新合金(雙相Ni52Mn32In16和單相Ni48Mn35In17)。另一方面，為了克服該系合金的脆性瓶頸，對這兩個新合金進行了區(qū)域熔化定向凝固處理，并展開了系統(tǒng)的研究，主要包括定向凝固組織演變、擇優(yōu)取向和成分偏析行為。通過控制適當?shù)膮^(qū)域熔化定向凝固參數(shù)成功地制備了成分均勻，且具有高擇優(yōu)取向的多晶雙相 Ni52Mn32In16和單相 Ni48Mn35In17合金。這兩種合

4、金的擇優(yōu)取向晶體學方向均為奧氏體的?110?A方向，即10M馬氏體的基面?0010?M。在雙相Ni52Mn32In16合金中，第二相(γ相)的引入，顯著地改善了Ni-Mn-In系合金的塑性，獲得了6.6%的塑性變形；在單相Ni48Mn35In17合金中，具有擇優(yōu)取向的粗大柱狀晶顯著地降低了多晶體在壓縮變形過程中的應力集中，相應地改善了合金的塑性。該系合金塑性的提高使得在單向應力下獲得相關熱力學參數(shù)的設想得以實現(xiàn)，并獲得了~1.4%的超彈

5、性應變。這不僅對該系合金的實際應用具有重要意義，而且為該系合金的設計研究提供了新思路。
　　在雙相Ni52Mn32In16合金的低生長速率定向凝固過程中發(fā)現(xiàn)了一種帶狀的新型組織。這種帶狀包括了兩層：β單相層和雙相(β+γ)耦合共生層，其中β單相層的最大間距與生長速率的倒數(shù)成線性關系。在100μm/s的高生長速率下，該合金并未呈現(xiàn)出這種帶狀組織，而是均勻穩(wěn)定的雙相耦合共生的組織特征，這表明在此條件下可獲得具有高塑性且均勻的定向凝固N

6、i-Mn-In合金。這些實驗結果與相關的理論模型預測相一致。
　　最后，深入地探討了定向凝固Ni-Mn-In合金的相關物理特性，包括了馬氏體相變特點、內摩擦行為和彈熱效應。研究表明，在雙相Ni52Mn32In16合金中存在了具有大磁性轉變的中間馬氏體相變，通過結合原位 X射線觀察和磁性能測試，進一步確定了該合金在冷卻過程中的相轉變順序為：順磁奧氏體→鐵磁奧氏體→順磁性10M馬氏體→鐵磁性10M馬氏體→順磁性14M馬氏體→鐵磁性14

7、M馬氏體。這兩個結構轉變過程的同時發(fā)生導致了合金在一個很寬的溫度范圍內(88 K)展現(xiàn)出較高的恒溫內摩擦現(xiàn)象，這一點滿足了大多數(shù)實際工程應用的服役溫度要求。
　　在內摩擦測試后的試樣中發(fā)現(xiàn)了殘余奧氏體基體中存在少量的位錯。這些位錯在γ相粒子-奧氏體基體界面上形核，然后在兩個γ相粒子之間堆積，對結構轉變過程中的界面運動產(chǎn)生強烈的阻礙作用，而且對奧氏體-馬氏體界面運動阻礙作用要強于馬氏體變體之間的界面運動。這種強阻礙效果減少了結構轉變

8、過程中單位溫度變化內的材料轉變量，因此降低了該合金內摩擦行為中的瞬態(tài)項，使得該合金的恒溫內摩擦值占了總內摩擦值的90%，遠遠高于其他合金中的相對比值，非常有利于潛在的實際應用。
　　對于定向凝固后具有[110]A擇優(yōu)取向的單相Ni48Mn35In17塊體多晶，磁性能測試證明了這種結構各向異性導致了顯著的磁致馬氏體相變各向異性行為。這種相變各向異性主要來源于晶界對馬氏體相變束縛作用的各向異性，使得合金的相關性能均表現(xiàn)出了各向異性。當

9、磁場平行于晶體擇優(yōu)生長方向時，相比垂直于晶體擇優(yōu)方向，磁致應變增大了~20%，且磁致應變的臨界磁場強度降低了~0.5T。與此同時，力學測試表明，Ni48Mn35In17合金的馬氏體相變溫度隨著壓應力的增大呈線性增加，其變化斜率為0.24K/MPa。在~1.4%的應變范圍內，合金表現(xiàn)出了巨大的彈熱效應，實測最大絕熱溫變可達~4K，媲美于其磁熱效應和等靜壓熱效應。這也是首次證實了該系合金的巨大彈熱效應，為未來的固體制冷研究提供了新思路和重要