Ni-Mn基磁性形状记忆合金第二相的形成及其对相变和性能的影响

Ni-Mn基磁性形状记忆合金具有良好的温度场和磁场诱发的形状记忆效应、超弹性、磁热效应、磁阻效应、弹热效应、交换偏置效应等功能特性。作为一种新型多功能材料,有望应用于驱动器、传感器等多个工程领域。本文详细阐述了包含第二相的Ni-Mn基磁性形状记忆合金的研究现状,梳理和总结了第二相的形成及其对马氏体相变、功能特性和力学性能的影响,提出了一些有待解决的问题,如第二相对包括磁性形状记忆效应在内的磁功能特性的影响,并指出未来应着重于研究第二相形成与演化过程的热力学/动力学因素,对第二相进行合理调控,从而优化合金功能特性。     

掺杂元素对Ni-Mn-Ga合金马氏体相变和磁性能的影响

研究了添加微量的Fe、Co、Al、Si合金元素对Ni-Mn-Ga合金的马氏体相变和磁性能的影响作用.结果表明微量Fe的掺杂可显著提高合金的马氏体相变温度(Ms)而不降低居里温度(Tc);掺Co后Ms基本不变而Tc明显升高;Al使Ms升高,Si使Ms降低,而对Tc均影响不大.微量的掺杂元素并不改变合金的晶体结构,掺杂合金仍然具有热弹性形状记忆效应,并且在磁场作用下可以产生增强的形状记忆效应.     

TiNi基高温形状记忆合金的马氏体相变与形状记忆效应

综述了Ti-Ni基高温形状记忆合金中的马氏体相变和形状记忆效应最近研究进展。Ti-Ni基高温形状记忆合金主要包括用Ti-Ni-Pd,Ti-Ni-Pt,Ti-Ni-Zr和Ti-Ni-Hf等。对Ti-Ni基高温形状记忆合金体材料、薄带和薄膜中的马氏体相变、组织结构、形状记忆效应以及超弹性性能等进行了评述和归纳。值得注意的是,通过适当的时效处理可调节相变温度,显著改善Ti-Ni-Hf高温形状记忆合金的开头记忆效应和超弹性性能,其主要原因在于时效的Ti-Ni-Hf合金中析出纳米级析出相导致基体强度升高。采取适当的制备和加工方法,提高合金的马氏体相变温度,改善合金的开头记忆效应,是当前TiNi基形状记忆合金研究的主要发展趋势。     

Fe-基形状记忆合金的研究进展

根据实际应用价值将形状记忆合金分为三类:Ni Ti-基、Cu-基和Fe-基合金。Ni Ti-基形状记忆合金在记忆合金应用领域一直处于统治地位,但其材料成本高、冷加工性能差; Cu-基形状记忆合金热加工性能和形状记忆效应均较好且价格低廉,但存在记忆性能不稳定、晶粒粗大、抗疲劳性能差等缺陷,阻碍了其研究和应用; Fe-基形状记忆合金自开发以来因其价格低廉、加工性能优良、可焊接性好等特点,备受人们青睐,被确定为具有发展前景的新型形状记忆材料。Fe-基形状记忆合金中的马氏体相变主要分为三种,分别是由面心立方fcc (γ)→面心正方fct、体心正方bct和密排六方hcp (ε)。因fcc(γ)→fct马氏体相变及其逆相变而呈现形状记忆效应的合金有Fe-Pd和Fe-Pt;因fcc(γ)→bct马氏体相变及其逆相变而呈现形状记忆效应的合金有Fe-Ni-Ti-C和Fe-Ni-Co-Ti;因fcc(γ)→hcp(ε)中的Pd、Pt价格昂贵,故其实用意义不是很大,不作为研究和应用的热点。由于FeMn-Si系形状记忆合金的马氏体起始相变温度(Ms)接近室温、形状记忆效应相对较好,因此具有很好的应用前景。但此类合金存在相对较低的Ms以及明显的滞后现象限制了它们的广泛使用。Fe-Ni-Co-Ti马氏体界面的能动性不因热滞大小而改变,通过冷却或加热使移动的马氏体界面长大或收缩。基于Fe-Ni-Co-Ti合金超弹性的研究开发的新型Fe-Mn-Al-Ni合金所表现的超弹性更加优异,Fe-Mn-Al-Ni合金在室温下具有低应力滞后的超弹性响应,主要特征是:在-196～240℃温度范围内,诱导马氏体转变所需的应力对温度依赖性较低,大大拓宽了Fe-基形状记忆合金的应用。本文分类介绍了Fe-基形状记忆合金近年来的研究进展以及相关性能,尤其对Fe-Mn-Si系形状记忆合金中各元素对合金的影响进行了详细的介绍,以期在合金的成分设计方面为相关研究人员提供参考,并提出了现阶段Fe-基形状记忆合金所存在的问题。     

外磁场对Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金相变应变及显微组织的影响

研究了外磁场对Ni52Mn24.6Ga23.4(%,原子分数)单晶马氏体相变及其相变应变的影响,并对磁场增强相变应变的微观机制进行了探讨。研究结果表明无外加磁场时,NiMnGa合金发生马氏体相变时可产生约0.3%的收缩形变,沿单晶[100]方向施加外磁场,其相变应变随磁场的增加而呈近线性增加。当外磁场强度为6.37×105A/m时,应变量达到最大值(3.5%)。磁场作用下冷却形成的马氏体虽然孪晶亚结构不变,但自协作组态消失,并伴随有孪晶板条的增厚。磁场对马氏体相变应变的增强效应来自于磁场作用下的马氏体变体的择优取向。     

铁基形状记忆合金马氏体相变研究进展

铁基形状记忆合金的形状记忆效应和超弹性取决于合金的马氏体相变特征,掌握铁基合金的马氏体相变规律是开发和优化铁基形状记忆合金的前提。根据马氏体相变类型将目前发现的铁基形状记忆合金分成3类：Fe-Mn-Si系,Fe-Ni-Co系和Fe-Pt／Fe-Pd系,分别阐述了3类铁基形状记忆合金马氏体相变的研究进展,总结了铁基合金形状记忆效应的不同机理和影响马氏体相变特征的各种因素,探讨了开发新型铁基形状记忆合金的需要关注的方向。     

热处理对CuAlNiMnTi形状记忆合金相变滞后的影响

本文用电阻法、金相分析、电镜分析及X射线衍射等研究了热处理对CuAlNiMnTi形状记忆合金相变滞后(A_f-M_■)的影响。研究结果表明:淬火合金时效处理时,相变点急剧下降,时效初期相变滞后明显增大,后趋于稳定。淬火合金600℃中温处理时,相变点下降,相变量减小。而热弹性马氏体相变类型则从Ⅰ型转变到Ⅱ型,然后再转到Ⅰ型,伴随着热弹性马氏体相变类型的变化,相变滞后开始降低,然后增加。这是因为时效处理时析出NiAl基相,中温处理析出α相所致。     

外加载荷对热弹性马氏体正-逆相变影响机制的相场模拟研究

本工作建立了一种新的马氏体逆相变的相场模型,以Cu-Al-Ni合金为例,研究了热弹性马氏体正相变和逆相变的演化规律,揭示了热弹性马氏体的形状记忆效应。同时模拟了拉伸释放弹性应变能这种机制对热弹性马氏体相变和热弹性马氏体逆相变的作用,研究了外加载荷对马氏体逆相变温度As的影响。模拟结果表明：应变能是形状记忆合金马氏体相变的阻力,是其逆相变的驱动力。在马氏体正相变过程中,拉伸载荷释放了应变能,降低了相变阻力,从而对马氏体相变起促进作用;在马氏体的逆相变过程中,由于拉伸载荷降低了马氏体所储存的应变能,因而降低了逆相变过程的驱动力,使合金逆相变As温度升高,进而提高了热弹性马氏体的低温稳定性。模拟结果与实验结果相一致。     

Sb对Mn50Ni40In10合金相变及磁性的影响

研究了Sb替代部分In对铁磁性形状记忆合金材料Mn50Ni40In10相变和磁性的影响。研究表明,在掺杂后形成的Mn50Ni40In10-x Sbx系列合金中,随着Sb含量的增加,马氏体的逆相变温度逐渐升高,居里温度逐渐降低。其相变温度的升高主要归结于电子浓度和晶格体积的变化以及电子轨道的杂化作用。Sb掺杂会导致样品马氏体相和奥氏体相之间的饱和磁化强度差ΔM的变化,x<0.6的微量掺杂会使ΔM增大,x>0.6时,ΔM随着掺杂量的增加而逐渐降低甚至减为零。x=0.6的样品(Mn50Ni40In9.4Sb0.6)在20kOe的外场作用下ΔM达到74emu/g,同时在该材料中观察到了磁场驱动的马氏体到奥氏体的转变,显示出该材料作为磁驱动形状记忆材料的潜在应用前景。     

预加压应力对Ni-Mn-Ga-RE(RE=Tb,Sm)合金磁感生应变的影响

研究了稀土元素Tb和Sm对Ni-Mn-Ga磁性形状记忆合金的马氏体相变及磁致应变的影响,并着重研究了预加压应力对合金磁致应变的影响作用.结果发现,微量的稀土元素Tb和Sm的掺入,降低了合金的马氏体相变温度和居里温度.在施加一定的预加压应力后,其磁致应变值有大幅提高,并且大预加压应力在较低磁场下不能使合金产生最大磁致应变,但能够使合金在高磁场作用下获得大磁致应变,所以施加适当的预加压应力是提高合金磁致应变的有效方法.     

磁驱动相变材料研究进展

磁驱动相变材料利用外磁控制下铁弹马氏体变体重排或磁诱导一级相变产生的形状记忆效应来捕获应变,兼具铁弹形状记忆与磁致伸缩功效特征。Heusler型Ni-Mn-X(X=Ga或In)系磁驱动相变合金材料具有磁感生应变大、能量密度高、反应速度快等优点,是未来重要磁传感器和磁驱动器研制的关键。主要介绍了国内外Ni-Mn-Ga、Ni-Co-Mn-In、反铁磁体等磁驱动相变材料的研究进展,以及本课题组利用高能X射线衍射和中子散射技术对磁驱动相变材料的原位研究。最后,展望了磁驱动相变合金材料的发展趋势。     

Ni2 In型六角MM’X铁磁马氏体相变材料及其研究进展

六角结构MM’X材料是一类潜在的新型磁相变功能材料。基于磁性马氏体相变,它们表现出优异的磁驱马氏体相变效应和磁热效应。介绍了MM’X材料的基本结构、磁性和研究历史,综述了近年来人们对其磁场响应性能的研究进展。阐述了人们在探索和提升代表性体系MnNiGe,MnCoGe的物理性能过程中的思想、方法和结果,重点探讨了人们对磁共结构耦合转变的调控和实现,尤其是顺磁-铁磁型马氏体相变所需要的居里温度窗口的构建。展望了MM’X材料潜在的磁性功能应用和优势。     

A Review on the Regulation of Magnetic Transitions and the Related Magnetocaloric Properties in Ni-Mn-Co-Sn Alloys

In Ni-Mn-X(X=In,Sn,Sb) ferromagnetic shape memory alloys,a ferromagnetic transition from paramagnetic to ferromagnetic austenite and a martensitic transformation from ferromagnetic austenite to weak magnetic martensite occur in some particular composition ranges,in which abundant physical properties have been observed by the abrupt change of magnetization and resistivity around their transition temperatures in these alloys.Therefore,tuning the martensitic transformation temperature(TM) and enlarging the workingtemperature interval for Ni-Mn-X(X=In,Sn,Sb) alloys,are of great importance.In the present paper,we will focus on the effect of external factors,including pre-deformation,annealing,and high pressure annealing,on the magnetic transitions and the related magnetocaloric properties in Ni-Mn-Co-Sn ferromagnetic shape memory alloys.Our approaches and the main results in this particular field will be reviewed.     

Investigation on ferromagnetic shape memory alloys

Ferromagnetic shape memory alloys, exhibiting large recoverable strain and rapid frequency response, appear to be promising shape memory actuator material. These materials exhibit large shape memory effect associating with martensitic transformation, and magnetic-field-induced strain in the martensite state. The recent development in researches on NiMnGa, NiFeGa, and CoNiGa in our group is briefly reviewed. The perspectives of the ferromagnetic shape memory alloy are also described.     

Martensitic Transformation and Magnetic-Field-Induced Strain in Magnetic Shape Memory Alloy NiMnGa Melt-Spun Ribbon

A magnetic shape memory alloy with nonstoichiometric Ni50Mn27Ga23 was prepared by using melt-spinning technology. The martensitic transformation and the magnetic-field-induced strain (MFIS) of the polycrystalline melt-spun ribbon were investigated. The experimental results showed that the melt-spun ribbons underwent thermal-elastic martensitic transformation and reverse transformation in cooling and heating process and exhibited typical thermo-elastic shape memory effect. However the start temperature for martensitic transformation decreased from 286 K for as-cast alloy to 254 K for as-quenched ribbon and Curie temperature remains approximately constant. A particular internal stress induced by melt-spinning resulted in the formation of a texture structure in the ribbons, which made the ribbons obtain larger martensitic transformation strain and MFIS. The internal stress was released substantially after annealing, which resulted in a decrease of MFIS of the ribbons.     

TiNi形状记忆合金约束态相变及驱动特性研究进展

TiNi形状记忆合金作为一种驱动材料具有广阔的应用前景，同时TiNi合金丝增强复合材料的研究和应用也得到人们的重视。TiNi合金的驱动能力与其约束条件下的相变行为有密切的关系。综述了不同约束态条件下TiNi形状记忆合金丝的马氏体相变特征及其驱动特性的研究进展。     

陶瓷形状记忆效应的研究进展

本文综合评述了（１）二氧化锆陶瓷中马氏体相变和形状记忆机理，（２）钙钛矿石类氧化物陶瓷的位移相变及形状记忆特征，并与合金的形状记忆效应进行对比。     

热处理对Ni47Ti44Nb9记忆合金相变温度的影响

研究了热处理对Ni47Ti44Nb9记忆合金相变温度的影响,利用示差扫描量热分析仪(DSC)和电阻-温度测量仪等实验手段观察和分析了记忆合金不同热处理后的马氏体相变温度变化.Ni47Ti44Nb9合金马氏体相变温度主要是由成分决定的,然而退火温度和冷却速度也影响Ni47Ti44Nb9合金的马氏体相变温度,退火温度越高,冷却速度越大,相变温度就越高.