形状记忆合金磁相变和磁卡效应的研究
磁性形状记忆合金Ni2MnGa第一性原理研究
0.322(Ni) 3.359(Mn) -0.074(Ga)
其他理论计算值 实验值
0.581(FLAPWGGA)
0.5822
0.5773(GGA)
0.5683(LSDA)
4.09(FLAPW-
4.17
GGA)
4.22(GGA)
3.92(LSDA)
0.37(Ni)
0.24(Ni)
3.36(Mn)(FLAPW 2.74(Mn)
（3） 态密度 图5 Ni2MnGa在奥氏体态下的总态密度和各原子相
应的态密度
结论：
(1)总态密度的低能部分（-10.36至-5.12ev）主要由 Ga的s和p态决定，而高能部分的态密度（-5.12至 4.83ev）主要由Ni和Mn的d态决定。
(2)总态密度的自旋向下部分以费米能级（这里为0ev） 为界有两个峰值。高能部分的峰值主要来源于Mn 的d态，低能部分的峰值主要来源于Ni的d态。
（2.2）
式中 M
i
是位置在
Ri
处的原子核的质 量，Z
i
，Z j
是原子
核所带电荷，m e 是电子的质量，ri ，rj 是电子所处的位置。
哈密顿量的第一项是原子核的动能项，第二项是电子
的动能项，后面三项分别是电子和原子核，电子和电
子，以及原子核与原子核之间的相互作用。
2.2多体问题的计算方法
2.2.1 非相对论近似 认为电子质量等于其静止质量，并认为光
谢谢大家！
即 H T V V ext
两类粒子组成的多粒子体系问题
多电子
体系问题
2.2.3 单电子近似
采用玻恩一奥本海默绝热近似后，相应的 薛定谔方程仍然是一个多体薛定谔方程， 所以需要进一步对它进行简化，以便得到 单电子的薛定谔方程。
磁性形状记忆合金
二、文献综述1.磁性形状记忆合金磁性形状记忆合金是既受温度控制的热弹性记忆效应，同时也具有受磁场控制的磁性形状记忆效应。
磁性形状记忆合金具有很多优良的性能，如：高响应频率、大输出应力，磁致伸缩应变大等1，所以是一种理想的驱动和传感材料。
3. Heusler合金及其结构Heusler合金是在研究MSMA中研究最多的一种合金，也是现在备受关注的一类功能材料，具有独特的磁性、半金属性、磁性形状记忆效应，有着广泛的应用前景。
Heusler合金是1903年，德国人F.Heusler第一次报道两种金属间化合物的磁性，这两种化合物是Cu2MnAl 和Cu2MnSn。
随后，英国人P. Webster 发表了一篇关于高有序度合金(Heusler 合金)的文章10Heusler合金是一种金属间化合物，通常具有L21性结构，化学分子式为X2YZ，Z则是周期表右边B类IV族，及其两边的III 族和V族的元素。
X、Y 可以是元素周期表中钪、钛、矾、铬、锰、铁、钴、镍、铜等3d 元素以及排列在它们所在列中下面的扩展的过渡族元素，共有约30个。
Heusler 合金可以看成由四个面心立方结构的亚晶格沿对角线四分之一相互交叉而成。
X 和Y原子占据（A，C）以及B位，Z原子占据D位。
其中ABCD的坐标分别为A (0, 0, 0), B ( 1/4,1/41/4 , ), C ( 1/2,1/2 1/2, ) 和D (3/4 3/4,3/4 , )图1.Heusler 合金晶体结构示意图1.2 Heusler合金的结构和开发潜力Heusler型合金是一种高度有序的金属间化合物，具有立方L21结构，空间群为Fm3m，一般化学分子式为X2YZ。
所谓高度有序的结构，是指多种原子（本工作是三种或四种）按照一定的晶格点阵，各自占据自己的特有位置所形成的高化学有序结构。
在冶金学上，Heusler合金属于β相合金，严格的结构特点如图1.1(a)所示。
形状记忆合金的性质,应用及效应机制
片状马氏体
板条马氏体
针状马氏体
马氏体相变：
它是母相奥氏体（碳在 γ－Fe 中形 成的间隙固溶体，面心立方 FCC 点阵） 转变为马氏体的过程。
可 以 恰 当 而 简 练 的 定 义 为“ 原 子 联 动 所 引 起 的 切 变 型 点 阵 相 变 ”。母 相 中 的 原 子，不是处在各自零散状态，而是在保
在逆相变过程中，由于两相之间的点阵对应关系单一，且相变时点阵应变非常 小 ，因 而 逆 相 变 时 母 相 变 体 完 全 固 定 不 变 。这 样 一 来 ，逆 相 变 时 必 然 选 取 原 位 向 的 母 相，所以在产生热弹性相变的合金中，形状记忆效应以完全可逆的形式出现。
条件（2）是理所当然的，因为滑移是不可逆过程。也就是说，如果在晶体中出 现 滑 移 ，由 滑 移 导 致 的 变 形 即 使 加 热 也 消 除 不 了 。热 弹 性 马 氏 体 相 变 发 生 的 不 是 滑 移 ， 而 是 另 一 种 基 本 的 形 变 机 制 — — 孪 生 。从 微 观 上 看 ，晶 体 原 子 排 列 沿 某 一 特 定 面 镜 像 对 称 。那 个 面 叫 孪 晶 面（ 孪 晶 是 指 两 个 晶 体（ 或 一 个 晶 体 的 两 部 分 ）沿 一 个 公 共 晶 面 构 成 镜 面 对 称 的 位 向 关 系 ， 这 两 个 晶 体 就 称 为 " 孪 晶 " ， 此 公 共 晶 面 就 称 孪 晶 面 ）。 即 实 际 上 它 是 由 位 向 互 为 孪 晶 关 系 的 两 种 马 氏 体 区 构 成 ，每 一 个 马 氏 体 和 母 相 点 阵 之 间 具 有 晶 体 学 上 等 价 的 特 定 点 阵 对 应 关 系 。这 种 具 有 点 阵 对 应 关 系 的 每 个 马 氏 体 称 为 对 应变体。
磁驱动形状记忆合金NiMnInCo马氏体转变与磁性能的研究
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1
磁驱动形状记忆合金 NiMnIn（Co）马氏体转变与磁性能的研究
§1.2
磁控形状记忆合金 NiMnGa 合金的发展概况
Ni-Mn-Ga 合金是最早发现的磁控形状记忆合金，对它的研究也最为深入和最具代表性，并且已实 现初步应用。在这里简单介绍一下 Ni2MnGa 合金的晶体结构、马氏体相变、影响合金主要物理参数的因 素等等。 1.2.1 Heusler 合金简介 Heusler 合金是 19 世纪初发现的，是一种高度有序的三元金属间化合物。金属间化合物是由金属 原子相互结合形成的化合物， 称其为化合物是由于金属原子之间键合具有部分共价键的性质， 使得原子 之间相互结合十分牢固，这一特点使其具有高熔点、高硬度、高耐磨性等优异性能，但也产生了脆性。 Heusler 合金一般为立方结构，空间群 Fm3m[23]，一般化学式为 X2YZ。Heusler 合金近 200 种，一直作为 金属间化合物中典型的材料来研究元素的磁性，在以往的研究中设计磁控 Heusler 合金时，X 多为 IB 族的 Cu、Ag、Au；VIII 族的 Pd、Pt、Rh、Ir 等贵金属元素；Y 为过渡族金属如 Mn、Fe、Nb、Ta、Ti、 Zr、Hf，其中尤以 Y 为 Mn 系研究的最多；而 Z 则常为 IIIA 族的 Al、Ga、In，IVA 族的 Si、Ge、Sn、 Pb 以及 VA 族的 Sb 等所谓的 S-P 元素。 Heusler 合金与许多典型合金的结构相关联， 若逐渐降低其有序 性， 即为 CsCl 性体心立方结构， 若 X 元素的一半为空位替代， 则成为 MgAgAs 性结构的半 Heusler 合金， 有着类似的物理特性， 且与立方 Laves 有着相应联系。 这种结构的变通性和构成元素 X、 Y、 Z 的多样性， 演化出该材料十分丰富的物理性质，如磁性、超导、巨磁阻、磁光效应、磁感生应变和形状记忆效应等， 这些都是目前国际上引人注目和正在积极开发的应用功能。 1.2.2 Ni2MnGa 合金的晶体结构及微结构 Ni2MnGa 属于 Heusler 型合金,是一种有序度很高的三元金属间化合物,母相奥氏体为高度有序的 L21 体心立方结构[24-26],是典型的 Oh (Fm3m)型空间点阵结构,如图 1 所示。由图 1 可以看出,L21 结构是
形状记忆合金的机理及其应用
形状记忆合金的机理及其应用
形状记忆合金（Shape Memory Alloy，SMA）是一种具有形状记忆效应的特殊金属材料，它可以在受力后发生可逆性的形状变化。
SMA主要由镍钛合金或铜铝合金构成，这些合金能够在经历塑性变形后，通过加热或受力去除负荷来回复原始形状。
形状记忆合金的形状记忆机理主要涉及两个相互作用的阶段：亚稳相和稳定相。
在低温下，形状记忆合金处于亚稳相，其晶格结构呈现出低对称性。
当合金受力或加热时，合金中的相转变发生，形状记忆合金进入稳定相。
在稳定相中，合金的晶格结构发生变化，具有高对称性，导致原子重新排列并引发形状记忆效应。
形状记忆合金的应用非常广泛。
在机械工程领域，形状记忆合金常用于制作形状可变的机械元件，如夹具、阀门和泵等。
通过控制合金的加热和冷却过程，可以实现对机械元件形状的精确控制和调节。
在医疗领域，形状记忆合金用于制作血管支架，即支持心脏和其他血管的金属网状结构。
这种支架在体内植入时具有一定的弹性，可以适应血管的形状和大小。
当支架进入到体温下时，形状记忆合金会发生相变，并恢复到原始形状，固定在血管内，起到支撑和保持血管通畅的作用。
形状记忆合金还应用于航空航天领域。
它可以用于制作航天器和卫星中的天线、支撑结构和导向装置等。
由于航空航天器常处于极端环境下，形状记忆合金的耐腐蚀性和高温性能使其成为理想的材料选择。
形状记忆合金的机理主要是基于其相转变的特点，通过控制温度和应力来实现形状的可逆变化。
它的应用范围涵盖了机械工程、医疗和航空航天等多个领域，具有重要的科学研究和工程实践价值。
磁控形状记忆合金磁力性能及作动器原理
磁控形状记忆合金磁力性能及作动器原理磁控形状记忆合金（Magnetic Shape Memory Alloy）在磁场作用下所表现出的低能量诱发相变、大恢复应变、大输出应力、高响应频率和可精确控制的特性，使之有可能成为土木工程结构振动控制理想的驱动与传感材料。
针对这一问题，论文通过描述MSMA材料的变形机制，以及磁场、应变、应力之间的函数关系，分析了磁控形状记忆合金在工程结构振动控制应用中需要解决的问题，提出了磁控形状记忆合金在工程结构振动控制领域中应用前景。
标签：磁控形状记忆合金；磁力性能；振动控制；本构关系1.MSMA变形机理磁控形状记忆合金既有传统记忆合金特有的热弹性马氏体相变，也有铁磁相和顺磁相之间的居里转变。
磁控形状记忆合金的磁致应变可以通过两种方法获得[1]，一种是由磁场诱发从母相到马氏体的相变（类似于应力诱发马氏体相变），这种情况一般需要非常大的磁场，例如需要1.29T的磁场才能诱发合金的马氏体相变；另外一种是铁磁控马氏体在磁场作用下的孪晶变体再取向（类似于应力促使马氏体孪晶再取向，与传统的磁致伸缩机制无关），这种情况需要的磁场比前者小得多，而且可以得到较大的应变量，例如在300K时，诱发Ni48.8Mn29.7Ga21.5合金马氏体变体再取向得到9.5%的磁致应变，只需0.13T 的磁场。
所以有关铁磁形状记忆合金的研究大多采用第二种机制，可以利用较小的磁场获得较大的应变。
在高对称性母相中，马氏体成核所产生的应变主要是通过滑移或者变形孪晶变体界面的移动来消除（可以大大降低马氏体与周围区域的应变能）。
在有序合金中，与滑移变形相比，孪晶界面的移动不需破坏原子键，需要的能量较低，因此，孪晶界面的移动要比滑移更容易发生。
孪晶界面移动实现的孪晶变体的择优取向将产生较大的宏观应变。
磁控形状记忆效应的必要条件是马氏体的各向异性能大于孪晶界移动所需的能量，而且易磁化方向在孪晶界两边不同，在这种情况下施加磁场将在孪晶界两边产生Zeemna能的差异，这个能量差异对孪晶界施加压力，因而易磁化方向与外磁场方向相同的孪晶单变体将长大，磁场诱发孪晶界移动的结果是产生一个大的应变，这效应完全发生在磁控形状记忆合金的马氏体。
TiNiMo形状记忆合金的相变_形状记忆效应与力学性能研究
收稿日期:2003210231;修订日期:2004205218基金项目:总装预研资助项目文章编号:100026893(2004)0620611204Ti NiMo 形状记忆合金的相变、形状记忆效应与力学性能研究丁 振,刘福顺,李 岩,徐惠彬(北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京 100083)Study on Phase T ransformation B ehaviors ,Sha pe Memory E ffects andMechanical Properties of TiNiMo Shape Memory AlloysDIN G Zhen ,L IU Fu 2shun ,L I Yan ,XU Hui 2bin(School of Materials Science and Engineering ,Beijing University of Aeronautics andAstronautics ,Beijing 100083,China )摘 要:研究了TiNiMo 形状记忆合金的相变特性、形状记忆效应和力学性能,结果表明:TiNiMo 合金存在一个R 相变,Mo 的加入降低了TiNi 合金的马氏体相变开始温度(Ms ),Ti 50Ni 48.5Mo 1.5和Ti 50Ni 48Mo 2.0合金的Ms 分别达到了-85℃,-103℃,这两种合金分别在8.51%和8.26%的预应变下获得了8.06%和7.71%的形状记忆效应。
Ti 50Ni 48Mo 2.0合金的屈服强度和抗拉强度分别为589MPa 和799MPa ,比Ti 50Ni 48Fe 2.0的相应强度分别高73%和31%,同时Ti 50Ni 48.5Mo 1.5的力学性能也较为优异,因而TiNiMo 合金是很有发展潜力的新型的记忆合金接头材料。
关键词:TiNiMo 合金;相变特性;形状记忆效应;力学性能;管接头中图分类号:V252;TG 139+16 文献标识码:AAbstract :Phase transformation behaviors ,shape memory effects and mechanical properties of TiNiMo shape memo 2ry alloys are investigated.It is found that a R phase transformation exists in TiNiMo alloy ,and the adition of Mo will lower the martensite start (Ms )temperature of TiNi alloy ,and that the Ms temperatures of Ti 50Ni 48.5,Mo 1.5and Ti 50Ni 48Mo 2.0alloys are -85℃and -103℃,respectively.The two alloys will gain 8106%and 7.71%shape memory effects under 8.51%and 8.26%pre 2strain ,respectively.The yield strength and breaking strength of Ti 50Ni 48Mo 2.0alloy ,measured to be 589MPa and 799MPa ,are 73%higher and 31%higher than the corres ponding strengths of Ti 50Ni 48Fe 2.0,respectively.Furthermore ,Ti 50Ni 48.5Mo 1.5alloy also exhibits excellent mechanical properties.Therefore TiNiMo alloys are very potential when used as new joint materialsK ey w ords :TiNiMo alloy ;phase transformation behavior ;shape memory effect ;mechanical property ;pipe joint TiNi 基形状记忆合金具有优异的记忆特性和超弹性、良好的力学性能、耐腐蚀性、生物相容性以及高阻尼特性,因而在航空航天、生物医用等领域获得了广泛的应用[1]。
形状记忆合金及其相变机制
形状记忆合金及其相变机制教学重点：9形状记忆效应9镍钛形状记忆合金及其相变9铁锰硅基记忆合金及其应力诱发马氏体相变形状记忆效应·形状记忆效应(Shape Memory Effect ,简称SME) :将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。
形状记忆材料●具有形状记忆效应的合金:形状记忆合金具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(Shape Memory Alloys，简称SMA)。
●20世纪80年代先后在高分子聚合物、陶瓷材料、超导材料中发现形状记忆效应。
●具有形状记忆效应的材料统称为形状记忆材料形状记忆效应可分为3种类型：①单程形状记忆效应②双程形状记忆效应③全程形状记忆效应单程形状记忆效应：合金在高温下制成某种形状，在低温相时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。
图1 单程形状记忆效应图2 双程形状记忆效应●双程形状记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象，或称为可逆形状记忆效应。
●全程形状记忆效应：当加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状的现象（只能在富镍的Ti-Ni合金中出现）。
图3 全程形状记忆效应●普通的马氏体相变是钢的淬火强化方法，即把钢加热到某个临界温度以上保温一段时间，然后迅速冷却，钢转变为一种马氏体结构，并使钢硬化。
●大部分合金和陶瓷记忆材料是通过热弹性马氏体相变而呈现形状记忆效应。
形状记忆原理与马氏体相变奥氏体(A) 马氏体(M)图4 45＃钢淬火工艺曲线AM钢的马氏体相变不可逆冷却加热●热弹性马氏体：马氏体一旦生成可以随着温度降低继续长大，当温度回升时，长大的马氏体又可以缩小，直至恢复到原来的母相状态，即马氏体随着温度的变化可以可逆地长大或缩小A M冷却加热热弹性马氏体相变可逆性过程s G Δ●弹性应变能以外的相变阻力(近似为定值)●母相转变为马氏体的化学驱动力()P M P M P M c nc s G T G G G →→→Δ=Δ+Δ+Δ()M P T G Δ→●母相转变为马氏体的驱动力MP nc G +Δ→●非化学驱动力(相变时新旧相体积变化产生的应变能)()P M M P c G T G G →Δ=−马氏体相变动力学：图5 马氏体相变驱动力与温度的关系TM cGM P ncG+Δ→sG ΔGT 0M SMs ——冷却时产生热弹性马氏体的起始温度M f ——冷却时转变的终止温度As ——升温时逆转变的起始温度A f ——逆转变终止温度温度马氏体低温相奥氏体母相As A fMsM f电阻图6随温度变化发生马氏体相变时电阻的变化降温升温热弹性马氏体随温度变化的相变过程图7 形状记忆效应机制示意图变体界面移动，相互吞食变形前后M 结构未变结构相同，位相不同的马氏体原子排列面的切应变图8 形状记忆合金晶体结构变化模型在T 0与Ms 之间的某一温度对合金施加外力也可引起马氏体转变。
形状记忆合金的研究与展望
形状记忆合金的研究与展望摘要：形状记忆合金是新近崛起的一类高科技功能材料。
应用已遍及航天、航空、电子、机械、能源、农业、医学、机械人以至日常用品等领域。
本文简要阐述了目前主要的形状记忆合金的类别及其影响形状记忆效应的因素。
关键词：形状记忆合金；形状记忆效应；马氏体相变引言形状记忆合金（Shape Memory Alloys，简称SMA）是新近崛起的一类高科技功能材料。
这类合金在某一温度下受外力而变形，当外力去除后，仍保持其变形后的形状，但当温度上升到某一温度，材料会自动回复到变形前原有的形状，能够大致上恢复至变形前的形状，这种所具有的回复原始形状的能力，称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME)[1]。
自该合金发现以来，它以独特的形状记忆效应和超弹性（Superelasticity）而引起人们的注视，并正逐渐得到日益广泛的应用，并在数量上已经跃居马氏体相变研究的首位[2]。
形状记忆合金的应用已遍及航天、航空、电子、机械、能源、农业、医学、机械人以至日常用品等领域。
在应用领域，其发展阶段大致经历了组分的变化及性能的提高。
NiTi合金和Cu基合金的开发应用主要集中在上世纪60~80年代，而铁基合金的开发应用相对较晚。
但是，这些合金的研究在今年来也一直受到关注，研究从未中断。
近年来形状记忆合金研究所取得的进展也主要体现在为NiTi，Cu基和Fe基形状记忆合金开发应用所进行的基础研究的探索上。
1. 形状记忆合金的分类1.1 钛镍形状记忆合金[3]1963年，W. Buehler等人在美国海军武器实验室发现了钛镍形状记忆合金具有可逆马氏体相变导致形状记忆效应[4]，随后引起了人们的极大兴趣，并很快得到应用。
迄今为止，有TiNi形状记忆合金的研究仍在不断地开展，在一系列的国际会议上，如马氏体相变国际会议（ICOMAT）、欧洲马氏体相变会议（ECOMAT）、形状记忆与超弹性国际会议（SMST），形状记忆材料国际会议（SMM）等，都占有很大比重，在有关智能材料和结构方面的国际会议上也占有一定比重。
形状记忆合金研究现状及应用
形状记忆合金发展及应用摘要：形状记忆效应自20世纪30年代报道以来逐步得到人们的重视并加以应用，被人们誉为“神奇的功能材料”，本文主要介绍了形状记忆合金合金的发展及其在许多领域的应用以及未来的一些发展趋势。
关键字：形状记忆合金各领域应用发展趋势引言：形状记忆合金（shape memory alloy，缩写为SMA）作为一种新型功能性材料，其最显著的特性是形状记忆效应，1932年由Olander在研究AuCd合金时首次发现，随后引起了人们的广泛重视，并由此开始了广泛研究和应用。
随着人们逐渐发现形状记忆合金的一些重要特性，如超弹性效应、弹性模量温度变化特性和良好的阻尼性能等。
正是这些显著的性能使得形状记忆合金被广泛地应用和研究，应用领域涉及电子、机械、运输、化学、医辽、能源、航天与土木工程等领域。
一、形状记忆效应的发现1932年瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到了形状记忆效应。
最早关于形状记忆合金效应的报道是有Chang及Read等人在1952年作出的。
他们观察到Au-Cd 合金中相变的可逆性。
后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象。
但当时并未引起人们的广泛注意。
直到1962年,Buehler及其合作者在等原子比的Ti-Ni合金中观察到具有宏观形状变化的记忆效应,才引起了材料科学界与工业界的重视二、记忆效应的分类（一）单程记忆效应形状记忆合金在较低温度下变形,较热后可恢复变形前的形状,这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
（二）双程记忆效应某些合金加热是恢复高温相形状,冷却时又能恢复低温相形状,称为双程记忆效应。
（三）全程记忆效应。
加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状,称为全程记忆效应。
三、形状记忆合金在各领域的应用（一）航空航天工业方面形状记忆合金可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线。
由于天线体积庞大，运载上月球很不方便，人们在一定温度环境下用形状记忆合金制成抛物面天线，再在低温下把它压缩成一个直径5厘米以下的小团，使它的体积缩小到只有原先的千分之一，放入登月小艇的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。
浅谈形状记忆合金材料
浅谈形状记忆合金材料浅谈形状记忆合金材料引言：时代的发展与材料的发展是相辅相成的。
随着科学技术的进步,材料研究变得尤为重要。
现如今材料的研究越来越专业化，并且逐渐倾向于功能化、多样性。
例如形状记忆材料就是一种典型的新型功能材料。
形状记忆材料是指具有形状记忆效应的金属、陶瓷和高分子等材料,在高温下材料形成一种形状,在冷却到低温时会塑性变形成为另外一种形状,如果对材料进行加热,通过马氏体的逆相变,又可以恢复到高温时的形状,这就是形状记忆效应。
一、形状记忆合金及形状记忆效应形状记忆材料是集感知和驱动于一体的特殊功能材料,其中形状记忆合金是形状记忆材料中较为重要的材料之一。
形状记忆合金(Shape Memory Alloy简称SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。
1、形状记忆合金分类到目前为止，被开发出来的形状记忆合金主要是Ti-Ni基、Cu基与Fe基三种。
在这三大类中，根据不同的要求和工作环境，分别在基体中加入和调整一些合金元素的量，使得每一个大类中都有一系列合金被开发出来，应用在各行各业，以满足各种不同的特殊需求。
（a）Ti-Ni形状记忆合金开发的最早，形状记忆效应最稳定，相对比较成熟，已在航天工业、汽车工业、电子工业、医学及人类生活领域获得应用。
但由于其原材料Ni 、Ti价格昂贵，且加工成本高等因素，其应用受到限制。
（b）Cu基形状记忆合金因价格便宜、原材料来源广泛、易于加工和制造等原因而得到迅速发展。
铜基形状记忆合金是这三类合金中种类最多的一类，但有实际应用价值的目前只有Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni两种。
（c）Fe基形状记忆合金发展较晚，成本较Ti-Ni系和铜系合金低得多，易于加工，在应用方面具有明显的竞争优势，被认为是一种具有广泛应用前景的功能材料，受到广泛的关注。
2、呈现形状记忆效应的合金的必备条件（a）马氏体相变只限于驱动力极小的热弹性型，即马氏体与母相之间的界面的移动是完全可逆的（b）合金中的异类原子在母相与马氏体中必须为有序结构（c）马氏体相变在晶体学上是完全可逆的3、状记忆效应的分类（a）单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
形状记忆合金简介1
形状记忆合⾦简介1形状记忆合⾦简介20世纪80年代中期，⼈们提出了智能材料（smart material ）的概念。
这种材料的基本特点是具有感知与驱动双重功能，即材料⾃⾝能感知环境的变化，并做出相应的响应。
它的研究呈开放和辐射性，涉及的学科包括化学、物理学、材料学、计算机、海洋⼯程、航空和医学等领域学科[1-2]。
迄今为⽌，已研究的智能材料主要有压电/电致伸缩陶瓷；形状记忆材料；磁致伸缩材料（Terfenol-D ）；电、磁流变体等[3-7]。
作为智能材料之⼀的形状记忆合⾦材料（shape memory alloys ，SMA ），由于具有独特的形状恢复，⾃我驱动及机械功输出的特性，应⽤范围已经涉及机械、电⼦、化⼯、航空、航天、能源、交通和医疗等许多领域。
SMA 材料的形状记忆效应，是通过合⾦⾼温奥⽒体（母相）到低温马⽒体的马⽒体相变及逆相变过程来实现的。
因此，下⾯分别介绍⼀下马⽒体相变和形状记忆效应。
1 马⽒体相变与形状记忆效应1.1 马⽒体相变马⽒体相变的发现可追溯到100多年前。
1895年Osmond [8]将⾼碳钢经淬⽕后的显微组织命名为马⽒体，以后⼈们就以这类组织的形态（针叶状）及其性质（硬度⾼，具有铁磁性）来描述马⽒体，把形成这类组织的过程以及其晶体结构改变（⾯⼼⽴⽅→四⾓（正⽅））过程称为马⽒体相变。
随后在其他合⾦中也发现了马⽒体，其形成和钢中马⽒体近似，但马⽒体的形态和性质各异，如Fe-Ni 合⾦中的马⽒体硬度不⾼，低碳钢中马⽒体呈条状状态，有⾊合⾦马⽒体的硬度甚⾄低于母相，且不具有磁性。
1948年Cohen [9]认为，应摒弃以往以组织形态和性质来定义马⽒体，宜着重研究其形成过程。
以后，⼀些学者根据马⽒体形成的特征，提出马⽒体相变的各种定义。
如Barrett 在1948年的相变讨论会上称马⽒体相变为⽆扩散相变。
Hull [10]在1954年定义马⽒体相变为“点阵变化时原⼦做规则运动，使发⽣相变的区域形成形状改变、原⼦不需要扩散的⼀种相变。
形状记忆合金的研究现状及应用特点
形状记忆合金的研究现状及应用特点形状记忆合金的研究现状及应用特点摘要：简述了形状记忆合金的发展概况,介绍了形状记忆效应及其特性. 综述了形状记忆合金材料的研究现状、发展趋势及应用特点。
关键词：形状记忆合金形状记忆效应超弹性引言：形状记忆合金( Shape Memory Alloys , 简称SMA) 是一类具有形状记忆性能的合金,其主要特征是具有形状记忆效应[1 ] 。
作为一种新型的功能材料,形状记忆合金在理论研究方面,国内外已做了大量工作,但有关SMA 的疲劳性能研究成果甚少,寿命预测及安全估计成为主要困难。
为了更好地研究和使用,作者对以往的Ni Ti 合金的研究现状和疲劳测试概况进行综述和讨论。
一、形状记忆效应合金在某一温度下受外力而变形,当外力去除后,仍保持其变形后的形状,但当温度上升到某一温度,材料会自动回复到变形前原有的形状,似乎对以前的形状保持记忆,这种合金称为形状记忆合金(Shape memory Alloy , SMA) ,所具的回复原始形状的能力,称为形状记忆效应(Shape Mem2ory Effect ,SME) 。
形状记忆效应与马氏体相变和逆相变等密切相关,为此定义了各相关的温度点。
当冷却时马氏体相变开始温度为Ms 点,终了温度为Mf 点.。
当加热时马氏体逆相变开始温度为As点,终了温度为Af 点。
应力诱发马氏体相变的上限为Md 点。
参与马氏体相变的高温相和低温相分别称为母相和马氏体相。
形状回复驱动力是在加热温度下,母相与马氏体相的自由能之差。
但是,为了使形状恢复完全,马氏体相变必须是晶体学上可逆的热弹性马氏体相变。
二、形状记忆合金材料的研究现状至今为止已经研究、开发出十几种记忆合金体系. 包括Ag - Cd、Au - Cd、Cu - Al - Ni 、Cu - Al- Be 、Cu - Au - Zn、Cu - Sn、Cu - Zn、Cu - Zn - X(X= Si 、Sn、Al 、Ga) 、In - Ti 、Ni - Al 、Ti - Ni 、Fe -Pt 、Fe - Pd、Mn - Cu、Ti - Ni -Nb、Ti - Ni - X(X= Hf 、Pd、Pt 、Au、Zr) 、Ni - Mn - Ga 、Ni - Al - Mn、Ni - Co - Al 、Co - Mn、Co - Ni 、Co - Ni - Ga 、和Fe -Mn - Si 等。
新型Ni Mn基铁磁形状记忆合金研究进展
磁致应变效应
在铁磁形状记忆合金中 , 产生磁致应变效应的
机制主要有两种 : ( 1) 孪晶马 氏体在磁场下的 重取 向; ( 2) 磁场驱动相变 . 对于第一种机制, 其驱动力为 磁晶各向异性能 , 最典型的材料是 Ni Mn Ga, 目前 其单晶的磁致应变已达到 10% [ 2] . 这种机制下的磁 致应变特点是所需磁场较小, 应变大, 但是输出应力 较小 , 通常要求材料为单晶. 第二种机制和传统形状 记忆合金中的温度和应力驱动的马氏体相变类似 , 不同的是驱动力为 Zeeman 能. 由于 Zeeman 能对晶 粒的取向并不敏感 , 因而这种效应在多晶中也能发 现. 表 1 列出了部分 Ni Mn 基铁磁形状记忆合金的 磁致应变 .
[ 2]
Ni Mn Z ( Z= In, Sn, Sb) 合金的结构与相
Ni2MnZ( Z= In, Sn, Sb) 属于 Heusler 型合金 , 是
变
一种有序度很高的三元金属间化合 物, 结构为 L21 有序型体心立方结构 , 是典型的 Fm3m 型空间点阵 结构 . 与 Ni2MnGa 不同的是 , Ni2MnZ( Z= In, Sn, Sb) 合金并不表现出形状记忆效应 , 随温度降低未发现 马氏体相变. 日本东北大学 Sutou 等人研究发现 , 通 过减少 Z 的含量, 在非正分的 Ni50 Mn50 x Zx ( Z= In,
1
In 、 Ni Mn Sb 合金 中也观察 到了类似的偏置效 应, 说 明这种 铁磁 反铁 磁共 存现象 在 Ni50 Mn50 x Zx ( Z= In, Sn, Sb) 合金中普遍 存在. ( 2) 从铁磁奥 氏体 相到顺磁奥氏体相的相变 , 居里温度为 TC . 此外, 在 较高温度通常存在一个从有序到无序的结构相变 , 这为控制材料母相结构的有序度提供了依据, 通过 在低于转变温度退火可以增加结构的有序度, 在高 于转 变 温 度 退 火 则 可 以增 加 结 构 无 序 性 . 例 如 Ni45Co 5Mn36. 7In 13. 3 合金的研究结果表明, 其有序无序 转变温度为 896 K, 在 923 K 退火得到了无序 B2 结 构, 而在 623 K 退火则得到了有序 L21 结构
形状记忆合金及其应用调研报告
形状记忆合金及其应用调研报告作为金属材料工程的学生，对材料的学习应该有更深入的了解，而不是拘泥于课本的一点基础理论。
材料学是一门学问很深的学科，材料的伟大之处远远不止于当下的一些理论知识，基础很重要，对外扩展也很重要，在材料科学基础这门课的理论指导下，我向外延申了解形状记忆合金与其应用等方面的知识，通过查找文献来补充与拓展，迈出我在材料学上的一小步。
一、形状记忆合金的机理形状记忆合金，简称：SMA。
根据上网查询资料可得知其名词解释为：是一种具有形状记忆效应的，并且能够感知温度和位移的，能将热能转化为机械能的新型功能材料。
具上网查询资料得知，在1951年得到美国人Lead，首先在Au—Cd、In—Ti合金中发现形状记忆效应(SME)，并且曾利用Au—47．5Cd合金的记忆效应制作升降机模型，但由于当时的合金元素市场价高并且有毒性，于是就没有做相关实验的尝试便在这世上销声匿迹了。
后来1963年在美国海军研究所，许多科学家发现Ni-Ti合金也有形状记忆效应，并且重新设计了实验，受到了世界各地相关学者的关注。
到了1969年美国的一家公司生产Ti-Ni-Fe记忆合金的金管接头，用于当时的一架战斗机上的液压管路系统的连接，这表示SMA在世界上第一次成功应用。
到了70年代正式扩大实际应用生产生活上。
短短十几年SMA的研究开始在全球开始普及，后来不到几年的时间里SMA快速发展了起来，开始作为商品进入人们的生活当中，在人们的生活当中开始普及了起来，下面我将主要开始介绍SMA的形状记忆机理。
形状记忆合金在高温加热处理后迅速冷却降温可以得到马氏体为主的不平衡组织，因为马氏体的一些特性，比如相对性差且相界面容易移动，导致以马氏体的这种结构组织较容易使移动路径调转方向往回走，发生晶格的有序逆转，也使其宏观样貌恢复到原来的形状。
这就是合金的形状记忆效应，而这种相变被称为热弹性型的马氏体相变属于马氏体相变的一种。
马氏体相变微观上是无扩散晶格相变，其原因是它的晶体结构的改变是随着剪切位移的改变而改变的。
磁性形状记忆合金
二、文献综述1.磁性形状记忆合金磁性形状记忆合金是既受温度控制的热弹性记忆效应，同时也具有受磁场控制的磁性形状记忆效应。
磁性形状记忆合金具有很多优良的性能，如：高响应频率、大输出应力，磁致伸缩应变大等1，所以是一种理想的驱动和传感材料。
3. Heusler合金及其结构Heusler合金是在研究MSMA中研究最多的一种合金，也是现在备受关注的一类功能材料，具有独特的磁性、半金属性、磁性形状记忆效应，有着广泛的应用前景。
Heusler合金是1903年，德国人F.Heusler第一次报道两种金属间化合物的磁性，这两种化合物是Cu2MnAl 和Cu2MnSn。
随后，英国人P. Webster 发表了一篇关于高有序度合金(Heusler 合金)的文章10Heusler合金是一种金属间化合物，通常具有L21性结构，化学分子式为X2YZ，Z则是周期表右边B类IV族，及其两边的III 族和V族的元素。
X、Y 可以是元素周期表中钪、钛、矾、铬、锰、铁、钴、镍、铜等3d 元素以及排列在它们所在列中下面的扩展的过渡族元素，共有约30个。
Heusler 合金可以看成由四个面心立方结构的亚晶格沿对角线四分之一相互交叉而成。
X 和Y原子占据（A，C）以及B位，Z原子占据D位。
其中ABCD的坐标分别为A (0, 0, 0), B ( 1/4,1/41/4 , ), C ( 1/2,1/2 1/2, ) 和D (3/4 3/4,3/4 , )图1.Heusler 合金晶体结构示意图1.2 Heusler合金的结构和开发潜力Heusler型合金是一种高度有序的金属间化合物，具有立方L21结构，空间群为Fm3m，一般化学分子式为X2YZ。
所谓高度有序的结构，是指多种原子（本工作是三种或四种）按照一定的晶格点阵，各自占据自己的特有位置所形成的高化学有序结构。
在冶金学上，Heusler合金属于β相合金，严格的结构特点如图1.1(a)所示。
形状记忆材料
原文：掺Mn对NiFeGa磁性形状记忆材料单晶特性的影响”研究背景：自从1996年在Ni2MnGa中发现了大的磁感生应变以来，铁磁形状记忆合金由于其潜在的应用前景而成为重要的磁性功能材料。
Oikawa等人在2002年首先合成了具有形状记忆效应的偏离化学计量比的NiFeGa合金，该类合金具有很好的热弹性马氏体相变和形状记忆效应，并且具有很好的延展性，克服了NiMnGa系列合金比较脆，难以机械加工的缺点。
但是NiFeGa材料的磁感生应变比NiMnGa小得多，并且其在形状记忆效应中的相变应变也很小。
本文在前人研究的基础上讨论了少量Mn的掺入对单晶Ni54Fe59Ga27各种性质的影响。
实验发现，Mn的掺入，起到了稳定B2相的作用，在磁场的作用下可使相变应变从0.2％提高到1.7％，是改善材料性质的好方法。
实验方法：合金原料选用纯度为99.95％的Ni,Mn,Fe,Ga,单质金属，组分为Ni54Fe19Ga27和Ni54Fe19Ga27Mn2的母料被用来生长单晶样品。
单晶生长采用冷坩埚系统提拉法，在高纯氩气中沿[001]方向生长。
生长参数为：生长速率15-30mm/h，籽晶杆转速30r/min。
样品的取向由X 射线背散射Laue法确定。
交流磁化率试验所用的交流磁场为400A/m，频率为77Hz，应变的测量采用标准形变电阻方法。
超弹性样品是沿晶体生长的[001]方向切出尺寸为2nm×2nm×3nm的样品。
结论：在单晶Ni54Fe59Ga27中掺入少量Mn，用交流磁化率，相变应变及超弹性测量的方法，观察材料的应用特性。
试验结果表明，Mn的掺入增强了铁磁性的交换相互作用，提高了材料的居里温度。
同时，Mn的存在稳定了B2相并且增强了晶格的刚度，使单晶生长过程中引入的取向内应力得以保持，提高了变体择优取向的水平，使Ni54Fe59Ga27单晶的相变应变和磁场增强作用大幅度提高。
而超弹性行为的改善则更依赖于材料中取向内应力的存在。
形状记忆合金原理
形状记忆合金原理形状记忆合金是一种特殊的金属合金，其最显著的特点就是可以记忆并恢复其原始形状。
这种合金最早由日本科学家中谷宣英于1932年发现，随后在20世纪70年代由美国研究人员彼得·真切洛斯发展起来，并在工程领域得到广泛应用。
形状记忆合金的晶体结构属于多晶体类型，晶粒之间通过晶界相互连接。
晶粒内部存在着两种不同的晶格结构：低温相和高温相。
在常温下，形状记忆合金处于低温相，具有较好的可塑性和强度。
但当受到外部力作用或热量提供时，形状记忆合金会发生相变，转变为高温相。
这种相变是可逆的，即当温度降下来时，合金又会从高温相变为低温相。
形状记忆效应是指当形状记忆合金从高温相变为低温相时，其原始形状能够得到恢复。
这个效应是由几种相变现象共同作用而实现的。
首先是弹性相变：当形状记忆合金处于低温相时，其晶体结构中存在着一些缺陷和形状失调。
这些缺陷会导致合金表现出较大的弹性变形能力。
但当温度提高到一定程度，合金会发生相变，形成高温相，并消除这些缺陷。
在高温相下，合金的弹性变形能力大为降低。
而当温度再次降低时，合金会再次形成低温相，缺陷也会再次出现，从而使合金具有了弹性变形的能力。
其次是相变滞后效应：当形状记忆合金在受力形变之后被加热时，合金中的晶粒会发生位错滑移，导致晶格结构发生变化。
但当温度降低时，位错滑移会发生相反的滑移，从而使合金恢复到其原始形状。
最后是相变应力效应：当形状记忆合金在高温相状态下受到外力形变时，合金会形成一个新的“记忆”形状。
当温度降低，合金发生相变时，新形状将受到弥补以恢复原始形状的应力。
形状记忆合金在工程领域具有广泛的应用。
例如在航空航天领域，可以用来制造可以自主修复的飞机结构和零件，从而提高航空器的安全性和可靠性。
在医疗领域，形状记忆合金可以用来制造支架、材料植入物和医疗器械，用于治疗骨折、心血管疾病等。
总的来说，形状记忆合金利用晶格结构的相变现象和弹性变形性能，实现了能够记忆和恢复形状的功能。
铁磁形状记忆合金NiMnGa单晶变体强磁场处理及磁致应变
金属学报第４４卷面对称排列【１３ｌ，则图４所示的平行排列的孪晶条纹即为孪晶对称面｛１１１｝与单晶端面（１００｝的相交线，也即是孪晶条纹的方向为［１１１］×［１００］＝［０１１］，那么与孪晶条纹成约４５０角的两个相互垂直的方向分别是［００１】和【０１０】方向．由此，进一步确定了图４中所标的Ａ，Ｂ，Ｃ方向分别为单晶的【１００］，【０１０］和【００１］取向．采用强磁场进行单变体处理的方法，是基于ＮｉＭｎＧａ合金的强磁晶各向异性和低孪晶再取向应力．在铁磁马氏体状态下，合金体心四方晶格的短轴与磁畴的易磁化轴强烈耦合，在磁场作用下，不同取向的变体之间的能量差作用于变体界面，产生切应力【９】．在此切应力作用下，马圈３从ＮｉｓｏＭｎ２８．ｓＧａ２，．５单晶棒上切下的长方体单晶和氏体变体中磁矩方向与外磁场方向一致的择优变体的体棒状单晶外形图积分数增加，而磁矩方向与外磁场方向不一致的非择优变’１。
７、ｎ一１㈨’。
７７、’川州ｙ’。
＾’’’Ｆｉｇ．３Ａｐｐｅａｒ锄。
铭ｏｆ‘ｈ。
８ｑｕａｒｅｓｈａｐｅｄ（ｓ锄ｐ１８１）体，体积收缩甚至消失，形成近似单变体．ａｎｄｃｙｌｉｎｄｅｒｓｈａｐｅｄ（ｓａｍｐｌｅｉｆ）ｃｕｔｆｒｏｍａ’１＿’Ｎｉ５０Ｍｎ２８．５Ｇａ２１．５ｓｉｎｇｌｅｃｒｙｓｔａｌｒｏｄ磁致应变是ＮｉＭｎＧａ合金在磁场作用下外形尺寸的个方向，以及单晶轴线方向进行强磁场磁化处理，并测量变化率·在外加磁场条件下，ＮｉＭｎＧａ通过孪晶运动，样品在处理前、后的尺寸变化．平行和垂直于单晶Ｉ和单短轴［００１】方向转向外磁场方向；而长轴【１００］方向转向晶ＩＩ上端面中心孪晶条纹反复磁化时，样品尺寸无明显与外磁场方向垂直，宏观上表现为沿磁场方向尺寸缩短，变化；而沿着与中心孪晶条纹成４５。
角方向磁化，样品而垂直于外磁场方向尺寸伸长·则表现出明显的尺寸变化．受实验条件的限制，尚不能用分别用Ｚ，ｍ，礼表示单晶上对应Ａ，Ｂ，Ｃ方向的样品Ｌａｕｅ法测定各单晶面取向．根据文献［３，１１】中ＮｉＭｎＧａ尺寸，反复沿两个单晶Ａ，Ｃ方向进行１０Ｔ强磁场磁化单晶出现大磁致应变的方向均为【１００】和［００１】取向，由处理，以每个方向均磁化５次作为一组，测量每组处理前样品磁致应变反映的宏观尺寸变化趋势，可以初步确定单后样品的尺寸变化．表１中列出了两个单晶样品强磁场晶的［ｉ００］，【０１０］和ｆ００１】取向，并在单晶宏观表面上分磁化处理前后的尺寸变化．两个单晶Ｂ方向上的尺寸ｍ别用Ａ，Ｂ，Ｃ表示，如图４所示．本文前期研究工作通过除了在第一组Ａ向充磁５次后有较大变化之外，在之后Ｘ射线极图测量方法，测定该方法生长的ＮｉＭｎＧａ单晶的磁化处理过程中基本保持不变．对于Ａ，Ｃ方向，沿其棒的轴向取向为［１００】方向［１ｏｌ，并且，在本次实验中单晶中一个方向磁化，该方向的尺寸变短，而另一方向尺寸伸长，表１中标出不同磁化组数的磁致应变值．随磁化处理生长方向在磁化过程中表现出明显的尺寸变化，因此，将单晶生长方向Ａ确定为［１００】取向；在垂直于Ａ方向的组数的增加，Ａ和Ｃ方向的磁致应变均逐渐增大，直到Ｃ方向上尺寸有明显变化，定为【００１］取向；Ｂ方向垂直经过多组磁化处理后磁致应变趋于恒定，亦见表１·由此于Ａ和Ｃ向，且尺寸无明显变化，定为【０１０】取向．又知可见，随着磁化处理组数的增加，择优取向变体体积分数ＮｉＭｎＧａ合金体心四方马氏体结构的孪晶结构沿｛１１１｝逐渐增大，导致磁致应变逐渐增大，直至磁致应变趋于饱圉４单晶Ｉ和单晶ＩＩ的马氏体孪晶形貌Ｆｉｇ．４Ｓｔｒｉｐ－ｌｉｋｅｍａｒｔｅｎｓｉｔｅｔｗｉｎｓＯｌｌｔｈｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｓｏｆｓａｍｐｌｅＩ（ａ）ａｎｄｓａｍｐｌｅＩＩ（ｂ），ｉｎｗｈｉｃｈＡ，ＢａｎｄＣｒｅｐｒｅｓｅｎｔ［１００］，［０１０】ａｎｄ［００１】ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ。
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Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
Ni43Mn46-xCoxSn11合金
随Co含量的增加， As迅速升高 II型 TCA迅速升高
II型马氏体转变
Ni43Mn46-xCoxSn11合金的磁相图
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
Ni43Mn46-xCoxSn11合金
Co的加入不仅提高了 转变温度，也提高材 料的磁熵变。
65 36 85 20
15 10 10 11
280 300 370 320
195 275 290 189
210 285 300 200
180 180 160 >As
II型 II型 II型 I型
几种Ni-Mn-Sn合金中的磁熵变的比较
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
巨大磁熵变的来源
低 有毒
1T 磁场 8.1
低 无毒
1T 磁场 7-10
低 无毒
1T 磁场 19
低 无毒
1T 磁场 9
低 无毒
热滞,磁滞,峰值温区窄, 是一级相变材料的共同的问 题。
一些稀土基合金中的磁相变和磁卡效应的研究
Dy(CoFe)2
Dy(Co1-xFex)2 （x=0,0.02,0.04,0.06,0.08） MgCu2类型 Laves相结构
马氏体转变特征温度：
马氏体转变开始温度Ms 马氏体转变结束温度Mf 奥氏体转变开始温度As
奥氏体转变结束温度Af
研究背景
形状记忆合金中的物理现象
形状记忆效应
T<Mf
变形 加热
T>Af
超弹性
研究背景
铁磁形状记忆合金的特征温度
铁磁形状记忆合金＝铁磁性＋形状记忆效应 M 马氏体相 M TC TCA 奥氏体相
Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sb铁磁形状记忆合金磁热效应
Ni45.5Mn41.5In13合金
T = 250 K
磁场变化: ΔB= 1 T
最大磁熵变:
ΔSM(max) = 8.1 J/kgK
Ni45.5Mn41.5In13合金在0.5 T和1 T下的磁熵变
Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sb铁磁形状记忆合金磁热效应
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
Ni50-xMn39+xSn11合金
x在4.5和7.3之间，II 型马氏体转变 200－270K ，1T磁 场 7－10J/kg.K
Ni50-xMn39+xSn11(x=5,6,7)合金在1 T下的磁熵变
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
磁制冷工 质成本
3d过渡族 基合金
研究背景
如何得到巨大的低场磁热效应
衡量材料磁热效应的物理量：等温磁熵变 ΔSm和绝 热磁温变ΔTad 磁场 大 B M
m 0 B
S dB T
T T C
B ad 0
B,p
M dB T CB,p
进一步的工作正在进行 中
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
马氏体转变温度和价电子浓度e/a的关系
价电子浓度： Sn(5s+5p),3d金属 (4s+3d) As随e/a线性增加 斜率不同，e/a不是唯 一因素，应考虑元素 的原子半径，电负性， 原子之间的电磁相互 作用等因素
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
ΔQ
T-ΔT
T
S
N
研究背景
磁制冷机
Gd球
超导磁体
3 kg 20%-60%
效率
制冷功率 200 W-600 W
Gd
在1.5T下ΔT = 4.5 K 在5.0T下ΔT = 11 K
研究背景
磁制冷材料
磁制冷机由主要三个部分组成：磁场源，磁制冷工质， 蓄热器。
磁场源成本 NdFeB永磁体 (<2T) 磁制冷工质的 低场的磁热效 应
随着Fe含量的增加 å逐步变大
Dy(Co1-xFex)2 的XRD
一些稀土基合金中的磁相变和磁卡效应的研究
Dy(CoFe)2
Dy(Co1-xFex)2 在0.1T下的热磁曲线
一些稀土基合金中的磁相变和磁卡效应的研究
Dy(CoFe)2
Arrott曲线是用来判断是否存在变磁性行为的常用手段，如果居 里温度附近存在变磁性行为，我们可以在Arrott曲线上观察到一 个负的斜率或者Arrott曲线呈S形
Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sb铁磁形状记忆合金磁热效应
Ni50-xCoxMn39Sb11合金
T=288K ΔB= 1 T
最大磁熵变: ΔSM(max) = 9J/kgK
Ni41Co9Mn39Sb11合金在1T下的磁熵变
Ni-Mn-X铁磁形状记忆合金与其它磁制冷材料的比 较
材料
Gd
性能
GdSi2 Ge2 278
Ni43Mn46-xCoxSn11合金
II型马氏体转变
Co Ni43Mn46-xCoxSn11合金的热磁曲线
增 加
As随着Co含量的增加 迅速增加
热滞＝10 K
Co提高TCA
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
Ni43Mn46-xCoxSn11合金
Ni43Mn46-xCoxSn11合金的DSC曲线
研究背景
铁磁形状记忆合金在马氏体相变附近的一些物理性质
温度
磁 热 效 应
结构 电阻
变磁性行为
磁场
磁化强度
研究背景
铁磁形状记忆合金在马氏体转变附近的磁熵变
2004年，Sutou等人发现新的铁磁性状 记忆合金Ni-Mn-X （X=In,Sn,Sb)合金， 具有Ⅰ型马氏体转变。 2005年，Nature Materials上报道在 Ni-Mn-Sn材料的Ⅰ型马氏体转变附近发 现巨大的磁熵变（1T 3J/kg.K, 5T 18 J/kg.K) Ⅱ型和Ⅲ型马氏体转变附近具有更大的 磁熵变 Ⅰ型
B,p
M T
大
一级相变材 料 金属材料
小
研究背景
几种著名的高温磁制冷材料
B: 0--2 T
MnAs
30 25
La(Fe0.89Si0.11)13H1.3 Gd5Si2Ge2
Fe49Rh51
- Sm (J/kgK)
20 15 10 5 0 270
MnFeP0.45As0.55
Gd
280 290 300 310 320 330
Ni50Mn50-xSnx合金的相图
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
Ni50-xMn39+xSn11合金
X=5,6,7，Ⅱ型马氏体转 变
TCM<AS<TCA 热滞＝10K
Ni50-xMn39+xSn11(x=0,5,6,7)合金中热磁曲线
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
Ni50-xCoxMn39Sb11合金
Co 增 加
Co替代Ni降低了马氏 体转变温度。 原因：e/a的减小
Ni50-xCoxMn39Sb11 (x=5,7,9)在0.1T的热磁曲线
Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sb铁磁形状记忆合金磁热效应
Ni50-xCoxMn39Sb11合金
Ni41Co9Mn39Sb11合金的磁化曲线
Ni50-xMn39+xSn11合金
Ni50-xMn39+xSn11(x=5,6,7)合金的DSC曲线
Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金磁相变和磁热效应
Ni50-xMn39+xSn11合金
IV型 II型 I型 随x增加，As线性减 小
TCA减小 TCM 基本不变 Ni50-xMn39+xSn11合金的磁相图
1.As<TCM<TCA 2. As<TCA<TCM
Ⅰ型 马氏 体转 变
研究背景
马氏体转变的分类
3.TCM<As<TCA
Ⅱ型 马氏 体转 变
研究背景
马氏体转变的分类
4.TCA<As<TCM
Ⅲ型 马氏体转变
研究背景
马氏体转变的分类
5.TCM<TCA<As 6.TCA<TCM<As
Ⅳ型 马氏体转变
研究背景
磁制冷
磁制冷是利用自旋系统磁熵变的制冷方式，是一种以磁性材 料为工质的全新的制冷技术。
优点: 效率高
噪音低
体积小 环保
研究背景
磁卡效应
磁制冷基本原理是 借助磁制冷材料的 磁热效应，即磁制 冷材料绝热磁化时 温度升高，而绝热 退磁时温度降低， 达到制冷目的。
T
S
T&# heat
Ni45.5Mn41.5In13合金的热磁曲线
Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sb铁磁形状记忆合金磁热效应
Ni45.5Mn41.5In13合金
Ni45.5Mn41.5In13合金DSC曲线
Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sb铁磁形状记忆合金磁热效应
Ni45.5Mn41.5In13合金
Ni45.5Mn41.5In13合金在低场下的等温磁化曲线
Ni-Mn基铁磁形状记忆合金的 磁相变和磁热效应研究
答辩人:
韩志达
导师：顾本喜 教授，都有为 院士
主要内容
研究背景 Ni-Mn-Sn铁磁性形状记忆合金的磁相变和磁热效 应 Ni-Mn-In和Ni-Mn-Sb铁磁形状记忆合金的磁热效 应 一些稀土基合金中的磁相变和磁热效应 总结与展望 发表文章
Ni-Mn-Sn合金影响磁熵变大小的因素