Ni50Mn25Ga25-xFex形狀記憶合金纖維的相變行為及性能研究.pdf

1、本文采用熔體抽拉法制備了直徑40～50μm，長度5～10cm的多晶Ni50Mn25Ga25-xFex(x=1～6)纖維。研究了制備態(tài)和熱處理態(tài)纖維的微觀組織、馬氏體相變、超彈性和形狀記憶效應(yīng)、磁性能及磁熱效應(yīng)，以及Fe元素對馬氏體相變溫度的影響及微觀機(jī)制；通過對熱處理前后纖維的SE和SME分析，獲得了Fe元素對馬氏體相變臨界應(yīng)力、應(yīng)變恢復(fù)率、超彈性應(yīng)變等的作用關(guān)系；通過磁熱性能測試，確定了Fe元素對磁熵變的影響，建立了正負(fù)磁熵變與自由電

2、子濃度e/a的關(guān)系，闡述了正負(fù)磁熱效應(yīng)的形成機(jī)理。
　　結(jié)果表明，F(xiàn)e含量對Ni50Mn25Ga25-xFex纖維的顯微組織和相結(jié)構(gòu)有非常顯著的影響。Ni50Mn25Ga25-xFex纖維中隨著Fe摻雜量的增加發(fā)生了從母相到單一馬氏體相的轉(zhuǎn)變，母相和馬氏體相的顯微組織分別以“花呢紋”和7M調(diào)制結(jié)構(gòu)為主，熱處理后纖維中的馬氏體相具有不同晶體類型，馬氏體孿晶界更加平直、清晰。同時(shí)隨著Fe的增加，晶胞尺寸減小，這是由于Fe原子替換Ga原

3、子數(shù)量增多時(shí)，a軸被拉長，b和c軸縮短，單胞體積收縮所致。
　　制備態(tài)和熱處理態(tài)纖維的馬氏體相變均表現(xiàn)出成分依賴性，兩種狀態(tài)纖維相變溫度的升高率分別為30.6和28.1 K/at.％。熱處理前后相變溫度與電子濃度的經(jīng)驗(yàn)公式分別為：Ms(K)=681(e/a)-4993和Ms(K)=705(e/a)-5113?；贖ume-Rothery理論分析了馬氏體相變溫度升高是源于電子濃度升高和晶胞體積收縮兩者共同作用的結(jié)果。熱處理使纖維相變

4、溫度升高，是源于熱處理提高原子排列有序度、降低晶體缺陷和內(nèi)應(yīng)力等。
　　研究發(fā)現(xiàn)，制備態(tài)和熱處理態(tài)纖維均顯示了良好的超彈性和形狀記憶效應(yīng)。超彈性測試過程中，應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變具有良好的再現(xiàn)性，F(xiàn)e元素拓寬了超彈性存在溫度區(qū)間和應(yīng)變恢復(fù)率，熱處理使纖維出現(xiàn)完全超彈性，并提高了應(yīng)變恢復(fù)率。應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的臨界應(yīng)力隨著溫度而線性增加，符合Clausius-Clapeyron方程，其斜率高于Ni-Mn-Ga單晶和纖維。與未摻雜合金相比

5、，F(xiàn)e原子的加入改善了材料的塑性，提高斷裂強(qiáng)度；與制備態(tài)纖維相比，熱處理后纖維原子有序度提高，孿晶變體數(shù)量減少，孿晶界的可動(dòng)性變好，延伸率提高。在TWSME的應(yīng)力循環(huán)過程中，制備態(tài)和熱處理態(tài)纖維均顯示出熱彈性馬氏體相變的兩大特征：可逆性和熱滯性，應(yīng)變完全恢復(fù)；與其它形狀記憶合金相比，熔體抽拉制備的纖維顯示了應(yīng)變-應(yīng)力低依賴性，使該纖維有望使用在恒應(yīng)力輸出的微驅(qū)動(dòng)裝置中。
　　磁場對相變溫度的影響可以忽略，F(xiàn)e含量增加到1%，居里點(diǎn)

6、比三元合金提高25 K，F(xiàn)e含量繼續(xù)增加，居里點(diǎn)穩(wěn)定在390 K，纖維的磁滯損耗明顯減小。在磁化時(shí)，纖維的低溫馬氏體相由于具有較低的對稱性而具有強(qiáng)磁晶各向異性，表現(xiàn)出比高溫母相難磁化，達(dá)到飽和緩慢的特性。纖維的飽和磁化強(qiáng)度隨著Fe含量的升高而減小。通過等溫磁化曲線研究了纖維的磁熱效應(yīng)，結(jié)果顯示施加不同磁場時(shí)在同一溫度處存在正和負(fù)磁熵變，正磁熵變最大值對應(yīng)的臨界場等于等溫磁化時(shí)從鐵磁馬氏體向鐵磁奧氏體變化時(shí)的臨界磁場；Fe含量增加，臨界磁