單晶Ni-Mn-Ga孿晶界遷動機制研究及應力誘發(fā)馬氏體相變模擬.pdf

1、Ni<,2>MnGa鐵磁形狀記憶合金既有大的可逆應變,又有較高的響應頻率,作為一種新型的形狀記憶合金受到了廣泛的關注和研究。在晶體結(jié)構(gòu)、基礎磁學性能、合金中的相變以及磁致應變表象機制等方面,都取得了顯著進展,但是對于決定形狀記憶效應的微觀機制尚未進行深入的探討。本文通過內(nèi)耗和高分辨透射電子顯微鏡等研究手段,對Ni<,2>MnGa馬氏體中的界面結(jié)構(gòu)進行了研究,討論了影響孿晶界遷動的阻力因素以及得到較佳形狀記憶效應的條件,最后,嘗試使用有限

2、元方法對Ni<,2>MnGa應力誘發(fā)馬氏體相變進行了動態(tài)模擬和討論。 對Ni<,2>MnGa馬氏體的組織結(jié)構(gòu)進行了觀察,馬氏體變體內(nèi)部有條狀的孿晶亞結(jié)構(gòu).當材料經(jīng)歷一次升降溫,發(fā)生逆相變和馬氏體相變后,新生成的馬氏體變體的取向與原有變體的取向不同,浮凸相互交叉.預測如果對材料施加外力使之變成單變體馬氏體,則具有最大的形狀記憶效應。 通過透射電鏡對Ni<,2>MnGa馬氏體變體的觀察及其重位點陣的計算說明,Ni<,2>Mn

3、Ga馬氏體不同變體之間的界面屬于自由界面,并不存在孿生關系。在高分辨原子像中觀察到大量的刃位錯,結(jié)合文獻預測,在外場作用下,位于{112}孿晶面上的位錯會沿<111>方向運動,從而使孿晶界發(fā)生遷動,而其他位置的位錯會對孿生位錯的運動產(chǎn)生阻礙作用。在5M馬氏體中觀察到7M馬氏體,這可能是由于兩種調(diào)制結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)變所需的能量較低引起的。 通過內(nèi)耗實驗對Ni<,2>MnGa的相變行為和孿晶界遷動的動力學進行了研究。Ni<,2>MnGa在

4、馬氏體相變和逆相變時,均有明顯的內(nèi)耗峰。內(nèi)耗峰的峰位不隨頻率的改變而改變,峰高隨著頻率的增加而降低。與馬氏體相變相關的內(nèi)耗峰要高于逆相變的內(nèi)耗峰,這是由于馬氏體相變時,有大量的孿晶形成,界面形成和運動的過程會使內(nèi)耗峰明顯增高。在馬氏體相變和逆相變時,均有模量軟化的現(xiàn)象,但模量并沒有降低到零,只是出現(xiàn)局部軟模。 在馬氏體相變溫度之下觀察到與相變無關的內(nèi)耗峰,內(nèi)耗峰的峰位隨著頻率的增加向高溫方向移動。初步判定,所觀測到的內(nèi)耗峰是與孿

5、晶界遷動相關的弛豫峰。根據(jù) Arrhenius 方程,計算所得激活能為 0.6eV,這個能量是孿晶界遷動時需要克服的能壘,能量的大小與材料的結(jié)構(gòu)以及材料處理狀態(tài)有關。 基于 Idesman 等的應變軟化模型,在二維情況下,用有限元的方法對外力單向加載下的單晶 Ni<,2>MnGa 立方一四方馬氏體相變過程進行了動態(tài)模擬。為簡單起見,僅選取兩種馬氏體變體,并保持溫度參數(shù)不變。結(jié)果顯示,生成的兩種馬氏體變體的體積分數(shù)與外力加載的方

6、式有關。在外力作用下,有利取向的變體逐漸長大,不利取向的變體逐漸縮小。在相變的過程中,相變前期生成的一部分馬氏體變體可能會在相變后期發(fā)生逆相變而重新轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,這主要是由于應力作用使這部分區(qū)域逆相變驅(qū)動力增大造成的。當材料某處存在缺陷時,會產(chǎn)生一定的應力集中,從而使相變由該處首先發(fā)生,馬氏體會將沿某幾個特定方向生長,直至材料邊緣處。這種方法可以對較大尺寸(大于100 nm)材料在應力作用下組織形貌的演變進行預測,為工程實際應用提供了有