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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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
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图 1.1
Ni2MnGa 合金的晶体结构
Fig.1.1 The structure of Ni2MnGa alloys
晶体 Ni2MnGa 是铁磁性合金 ,居里温度 Tc =376 ±3K,马氏体点 Ms = 276K。马氏体逆转变点 As = 281.5K,当温度降低到 Ms 以下时 ,发生马氏体转变 ,结构由立方晶格转变为四方晶格 ,相变同时伴 随有体积膨胀。室温立方相的点阵常数 a =0.5825nm ,在 412K 时 ,四方结构相的点阵常数为 a= 0.592nm ,c = 0.5566nm ,c/ a = 0.94。马氏体相变沿 c 轴的晶格常数变化最大可达 6.56 %[33] 。研 究发现通过调整组分和应用适当的设备工艺可获得具有择优取向并存在一定预应力的马氏体， 获得较高 的磁诱导应变。 1.2.3 Ni2MnGa 的马氏体相变 马氏体相变是指替换原子通过无扩散切变 ,即原子沿相界面作协作运动 ,使其形状发生改变的相 变。 Ni2MnGa 磁性形状记忆合金在冷却过程中 ,除了发生磁场有序化外 ,还具有丰富的马氏体相变行为
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由 A 、 B 、 C 、 D 四 种 原 子 分 别 构 成 四 个 fcc 晶 格 相 互 错 套 而 成 , 四 种 原 子 分 别 占 据 (0 ,0 ,0) ,(1/4 ,1/4 ,1/4) ,(1/2 ,1/2 ,1/2) ,(3/4 ,3/4 ,3/4)点阵位置。A、C 点阵位置为 Ni 原子所占据 ,B 点阵位置为 Mn 原子所占据 ,D 点阵位置为 Ga 原子所占据。 与 Mn 原子最近邻的是 8 个 Ni 原子,次近邻的是 6 个 Ga 原子,而 Mn 原子之间的间隔是第三近邻,原子间距分别为 0.26nm(2.6Å)、 0.3nm(3 Å) 和 0.42nm(4.2 Å )。Mn 原子之间的磁耦合作用是通过 Ni、Ga 提供的巡游电子来完成,A、 C、D 位原子的巡游电子的结构决定了磁相互作用的大小和符号。 并且有内部孪晶。 其变体的孪晶面通常在四个{01±1}M， {10±1}M Ni2MnGa 合金的马氏体是铁磁性的， 晶面内[27-29]， 其变体的 c 轴[001]M 几乎平行于母相的三个[001]A,[001]A 和[001]A 方向。 双孪生马氏体
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河北工业大学硕士论文
变体微结构因其具有最低的能量而易于形成，同时四方对称性方向是每个马氏体变体唯一的易磁化轴。 因此，由于其单轴磁晶各向异性，预计出现 180º 磁畴壁结构。这两种微结构均已在实验观察到。现已 观察到多种不同结构的马氏体晶体结构，除了四方马氏体结构还出现了调制结构如 5M、7M、10M 的马氏 体及一些非调制结构的马氏体。对于 5M、7M 和非调制的马氏体，理论上最大的场致应变 1-c/a 分别约 为 6.5%、10.5%、15%。而目前的实验研究中，上述结构的马氏体获得的最大场致应变为 6% [30]、9.5%[31] 和 15%[32]。
河北工业大学 硕士学位论文 磁驱动形状记忆合金NiMnIn（Co）马氏体转变与磁性能的研究 姓名：李贝 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：林晓娉 20090201
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[34-38]
,通过内耗峰测试及 TEM 观察表明 ,在相变的过程中 ,同时伴随有一系列物理性能的异常变化,
这说明在冷却时除了马氏体相变外,还存在中间相变[39,40]。加热过程中 ,在马氏体逆相变的温度区间会 出现马氏体晶格软化现象 ,因此研究者认为中间相变的产生可能与母相中的软模收缩有关[41] 。
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பைடு நூலகம்