FeSiB非晶薄带的模量和膨胀系数研究

FeSiB 非晶薄带的模量和膨胀系数研究
蒋达国1, 杨建平1,黄强2
*
( 1.井冈山大学数理学院, 江西吉安343009; 2.井岗山大学工学院, 江西吉安343009)
摘要: 采用单辊法制备了宽 4.5 mm、厚25 μm 的Fe78S i9B13 非晶薄带。

用Q800 动态热机械分析仪( D MA) 分析测试非晶薄带的弹性模量、线形变和线膨胀系数随着退火工艺及测试温度的变化关系。

结果表明: 退火可以提高非晶薄带的弹性模量、线形变和线膨胀系数; 退火态与淬态非晶薄带的弹性模量、线形变和线膨胀系数随着测试温度的变化规律相同, 即弹性模量都随着测试温度的升高而减小; 线形变随着测试温度的升高而增大; 非晶薄带的线膨胀系数在低温时随着测试温度的升高而增大, 在高温时随着测试温度的升高而减小。

关键词: Fe78S i9B13 非晶薄带; 弹性模量; 线膨胀系数
中图分类号: O482.5文献标识码:A文章编号:1004- 244X( 2008) 05- 0024- 03
Study of elastic modulus and expansion coefficient of Fe78Si9B13 amorphous alloy ribbons
JIA NG Da- guo1, YANG Jian- ping1, HUANG Qiang2
( 1.College of Mathematic and Physics, Jingg ang shanUniversity, Ji’an 343009, China; 2.Colleg e of Engineering,
Jinggang shan University, Ji’an 343009, China)
Abstract: In this paper, Fe78S i9B13 amorphous alloy ribbons with 25 μm thickness and 4.5 mm width were manufactured by sing le-roller method.The elastic modulus and line deformation and line ex pansion coefficient were investigated by Q800 D MA. The results showed that the elastic modulus and line deformation and line ex pansion coefficient increased after annealing. The relationship of elastic modulus and line deformation and line ex pansion coefficient with test temperature of annealed amorphous alloy ribbons was the same as that of quenched amorphous alloy ribbons, that is, the elastic modulus decreased and the line deformation streng thened with the test temperature increasing, the line ex pansion coefficient enhanced with the test temperature increasing when the temperature was lower, but the line ex pansion coefficient decreased with the test temperature increasing when the temperature was hig her.
Key words: Fe78S i9B13 amorphous alloy ribbons; elastic modulus; line ex pansion coefficient
自1960 年美国Duwez 教授发明了用快淬工艺制备非晶态合金以来, 由于其独特的组织结构、高效的制备工艺、优良的软磁性能、优良的力学性能, 一直受到材料科学工作者和产业界的特别关注, 已在各类电力器件、电子变压器、磁传感器等多种软磁器件中获得成功应用[ 1-8] 。

而材料的弹性越好, 磁导率越高, 磁致伸缩效应越大, 其机电转换的效率就越高; 材料的弹性随温度的变化越小, 材料的膨胀系数越小, 其温度稳定性就越好, 这两点对传感器的敏感材料非常重要。

据报道, 目前铁基非晶带材的最大抗拉强度已经超过4 000 MPa, 相当于碳纤维的强度, Fe78Si9B13 的抗拉强度在1 400～1 500 MPa 之间[ 9]。

99.98%) 和硼铁( B 的质量分数为16%) 为原料, 采用酸洗和碱洗除去原材料表面污物后, 按Fe78Si9B13 配制原材料, 在真空( 6.67×10-2 Pa) 中频电炉中熔炼 1 kg 母合金。

母合金在高纯氩气( 质量分数为99.9%) 保护下在高频电炉的石英管中快速熔化后, 在0.35 MPa 氩气作用下连续快速喷射到自制的水冷旋转铜辊上形成快淬带材( 铜辊直径为Φ500 mm, 转速为 1 200 r/min) 。

制备的薄带厚为25 μm, 宽为4.5 mm。

用APD10 型X 射线衍射仪( CuK a 辐射, 波长λ= 0.154 nm, 电压35 kV) 测定薄带的相结构; 采用美国FEI 公司Quanta200 型扫描电镜观察薄带的微观形貌; 退火采用上海意丰电炉有限公司生产的管式气氛电阻炉, 氩气氛围, 退火温度为100 ℃, 退火时间为 2 h; 采用美国TA 公司生产的Q800 动态热机械分析仪( DMA) 进行模量测试, 试样长为12.87 mm, 从常温开始以10 ℃/min 的速度升温到310 ℃, 振动频率为1 Hz。

1 试样制备和试验方法
以纯铁( 质量分数为99.98%)、纯硅( 质量分数为
* 收稿日期: 2008- 03- 24; 修回日期: 2008- 05- 30
作者简介: 蒋达国( 1968- ) , 江西吉安人, 教授, 硕士。

E- mail: jg sxy_jdg@sohu.co m。

图 1 淬态非晶薄带的 SEM 图谱 10 000×
Fig .1 S EM of quenched amorphous alloy ribbons 10 000×
50 40
s 30 p c 20 10 0
10 20
30
40 50 60 70 80 90
2!/°
图 2 淬态非晶薄带的 XDR 图谱
Fig .2 XDR of quenched amorphous alloy ribbons
100
95 a P G 90 / 量 85 淬态
模 80 100 ℃×2 h
性 弹 75 70 65 0
50 100 150 200 250 300 350
温度/℃
图 3 退火工艺及测试温度对非晶薄带的弹性模量的影响
Fig .3 Influence of annealing process and test temperature on
elastic modulus of amorphous alloy ribbons
100
95 a P G 90 / 量 85 模 80 淬态 能 100 ℃×2 h 储 75 70 65
0 50 100 150 200 250 300 350
温度/℃
图 4 退火工艺及测试温度对非晶薄带的储能模量的影响
Fig .4 Influence of annealing process and test temperature on
storag e modulus of amorphous alloy ribbons
蒋达国等: FeSiB 非晶薄带的模量和膨胀系数研究 第 5 期
25
310 ℃时, 淬态非晶薄带的弹性模量为 63.692 GPa , 经
100 ℃×2 h 退
火 后 非 晶 薄 带 的 弹 性 模 量 为 84.415 GPa 。

材料的性能归根结底是由材料的微观结构决定 的, 非晶态结构的一个重要特征是其在形成过程中保 留下来的短程有序性和长程无序性, 另一个重要特征 是非平衡的亚稳态, 非晶态合金在低于非晶态转变温 度下退火, 可以改变原子排列状态, 使内部原子发生局 部微调, 随着退火温度的升高, 原子排列的微调使内应 力松驰或消除, 导致弹性模量减小; 但另一方面, 退火 处理有利于原子排列“短程有序”度增加, “短程有序” 中的缺陷减少, 从而使非晶带材的弹性模量增大。

所 以, 与淬态非晶薄带相比, 退火后非晶薄带的弹性模量 增大。

因为固体的弹性来源于原子间的相互作用, 而固 体对所有相互作用的反应的实质来自于原子间相互作 用的势能; 随着测试温度的升高, 原子间的间距增大, 相互作用( 结合力) 减小, 弹性模量减小。

所以, 非晶薄 带的弹性模量随着测试温度的升高而减小[ 10] 。

2.3 退火工艺及测试温度对非晶薄带储能模量的影响 图 4 是非晶薄带的储能模量随着测试温度的变化 关
系。

与淬态非晶薄带相比, 退火后非晶薄带的储能模 量增大; 退火态与淬态非晶薄带的储能模量随着测试 温度的变化关系相同, 即非晶薄带的储能模量随着测 试温度的升高而减小。

当测试温度为 30 ℃时, 淬态非 晶薄带的储能模量为 71.233 GPa , 经 100 ℃×2 h 退火 后非晶薄带的储能模量为 93.964 GPa ; 当测试温度为
310 ℃, 淬态非晶薄带的储能模量为 63.685 GPa , 经
100 ℃×2 h 退
火 后 非 晶 薄 带 的 储 能 模 量 为 84.369 GPa 。

2 试验结果与讨论
2.1 非晶薄带的组织结构
图 1 中未发现晶界, 说明薄带整体以非晶态为主,
薄带表面存在的少量气孔是由于在制备过程中液态合 金从喷口喷出带入少量气体而形成的; 图 2 中未见明 显的晶化峰, 但在 2θ=45°出现一馒头峰, 这与典型的 铁基非晶合金的 XDR 图谱一致, 说明薄带主要结构为 非晶相。

2.2 退火工艺及测试温度对非晶薄带弹性模量的影响 图 3 是非晶薄带的弹性模量随着测试温度的变化 关
系: 与淬态非晶薄带相比, 退火后非晶薄带的弹性模 量增大; 退火态与淬态非晶薄带的弹性模量随着测试 温度的变化关系相同, 即非晶薄带的弹性模量随着测 试温度的升高而减小。

当测试温度为 30 ℃时, 淬态非 晶薄带的弹性模量为 71.234 GPa , 经 100 ℃×2 h 退火
后非晶薄带的弹性模量为 94.021 GPa ; 当测试温度为 2.4 退火工艺及测试温度对非晶薄带线形变的影响
图 5 是非晶薄带的线形变随着测试温度的变化
关系。

与淬态非晶薄带相比, 退火后非晶薄带的线形 变增大, 且淬态和退火后非晶薄带的线形变随着测试 温度的变化规律相同, 即线形变随着测试温度的升高 而增大。

70
60
淬态
m μ 50 100 ℃×2 h
变 40 / 形 30 线 20 10 0 0
50 100 150 200 250 300 350 温度/℃
图 5 退火工艺及测试温度对非晶薄带的线形变的影响
Fig .5 Influence of annealing process and test temperature on line
deformation of amorphous alloy ribbons
( ×10- 3)
3.0
2.5
数
系 2.0 胀 1.5 膨 淬态
线 1.0
100 ℃×2 h
0.5 0.0 0
50 100 150 200 250 300
温度/℃
图 6 退火工艺及测试温度对非晶薄带的线膨胀系数的影响
Fig .6 Influence of annealing process and test temperature on line
ex pansion coefficient of amorphous alloy ribbons
兵器材料科学与工程
第 31 卷
26
因为退火可以释放非晶薄带内残留的应力, 这有
利于热膨胀, 所以, 与淬态非晶薄带相比, 退火后非晶 薄带的线形变增大。

另外, 根据费朗克尔的观点, 构成物质中的原子 围绕其平衡位置作非简谐振动, 当温度升高时振幅增 大, 原子的最大位能相应增大, 同时原子间的平均距 离也相应增大。

所以非晶薄带的线形变随着测试温度 的升高而增大[ 10] 。

2.5 退火工艺及测试温度对非晶薄带线膨胀系数的
影响
图 6 是非晶薄带的线膨胀系数随着测试温度的 变化关系。

与淬态非晶薄带相比, 退火可以增大非晶 薄带的线膨胀系数; 退火态和淬态非晶薄带都出现了 膨胀峰, 与淬态非晶薄带相比, 退火后非晶薄带的膨 胀峰所对应的温度升高; 退火态和淬态非晶薄带的线 膨胀系数随着测试温度的变化规律相同, 即当温度低 于膨胀峰所对应的温度, 非晶薄带的线膨胀系数随着 测试温度的升高而增大, 当温度高于膨胀峰所对应的 温度, 非晶薄带的线膨胀系数随着测试温度的升高而 减小。

因为非晶薄带为铁磁性材料, 其线膨胀系数正比
于定容热容 c V , 而定容热容 c V 在低温时随着测试温度
T 3/2 的规律变化, 所以当测试温度低于膨胀峰所对应
的温度, 非晶薄带的线膨胀系数随着测试温度的升高 而增大; 当测试温度高于膨胀峰所对应的温度时, 非 晶薄带出现反常的热膨胀, 非晶薄带的线膨胀系数随 着测试温度的升高而减小, 这是因为铁磁材料在自发 磁化过程中, 由于磁矩自旋取向的变化, 引起了原子 间距离的变化, 即产生了磁致伸缩效应, 因此在很大 程度上抵消了正常的热膨胀的结果[ 10] 。

3 结 论
淬态 FeSiB 非晶薄带的弹性模量较大, 在常温下 达 77 GPa , 经 100 ℃×2 h 退火后的模量在常温下可达 94 GPa ; 与淬态非晶薄带相比, 退火后非晶带材的线 形变增大, 且淬态和退火后非晶带材的线形变都随着 测试温度的升高而增大; 退火态和淬态非晶薄带都出 现了膨胀峰, 与淬态非晶薄带相比, 退火后非晶薄带 的膨胀峰所对应的温度升高。

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