鐵基非晶納米晶軟磁合金的晶化與力學(xué)，磁性能的研究.pdf

1、鐵基非晶和納米晶軟磁合金是一種具有優(yōu)良軟磁性能的新型合金，其中的代表系列合金是FeSiB和FeCuNbSiB合金。對(duì)于FeSiB和FeCuNbSiB等鐵基非晶納米晶軟磁合金的形成機(jī)理、各元素的作用、析出相的結(jié)構(gòu)以及磁性能等前人已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。但是在對(duì)鐵基非晶和納米晶軟磁合金的力學(xué)行為、高頻軟磁性能以及表面晶化等方面的研究較少，本文主要以合金的微組織為橋梁，進(jìn)一步研究了微組織演變過程，特別增加了對(duì)表面晶化的分析，另外建立起

2、了力學(xué)性能與軟磁性能之間的聯(lián)系。 根據(jù)XRD和TEM的觀察顯示，F(xiàn)eCuNbSiB具有明顯的納米晶化過程，且溫度區(qū)間較FeSiB合金大。且納米晶化過程中晶粒尺寸和晶化百分?jǐn)?shù)容易控制。在560℃退火的FeCuNbSiB合金具有的納米晶粒尺寸為11.8nm，且分布均勻，晶化百分?jǐn)?shù)為62.1％，Si則與從α-Fe相中開始脫溶。熱晶化動(dòng)力學(xué)分析顯示，F(xiàn)eSiB合金的納米晶化階段非常不穩(wěn)定，其晶化激活能普遍較小。FeCuNbSiB合金

3、初始晶化階段的晶化激活能隨晶化分?jǐn)?shù)變化不大。而二步晶化階段，晶化激活能也基本保持在280～300kJ/mol，在晶化分?jǐn)?shù)較大時(shí)才逐漸增加，說明晶化接近飽和，晶化速度降低。 由于熱處理使得晶界內(nèi)Nb元素等抑制元素富集，形成了類似釘扎的效應(yīng)，阻礙晶粒的正常長(zhǎng)大，從而使得表面晶粒的形狀由于受到尺寸限制而發(fā)生形狀變化。據(jù)此可以大致判斷抑制元素富集的區(qū)域。表面晶化分析顯示，表面出現(xiàn)兩種不同的顆粒群，大顆粒是由于制備或處理過程中嵌入的

4、雜質(zhì)，導(dǎo)致了異常形核，使得該區(qū)域的起始晶化溫度下降，加上大顆粒中沒有幾乎不含有Nb和Cu等成分，具有較大尺寸。小顆粒群基本與體內(nèi)的晶粒成分相同，其長(zhǎng)大速度在500～560℃內(nèi)趨緩，這些晶?？梢员环Q為表面納米晶。600℃開始，兩種顆粒群由于同時(shí)進(jìn)行常規(guī)晶化而看不到差別。 研究了FeSiB和FeCuNbSiB非晶態(tài)合金薄帶自由面和貼輥面的壓痕尺寸效應(yīng)。采用了Meyer模型和能量平衡模型分析了不同受荷時(shí)間下非晶態(tài)合金壓痕尺寸和外

5、加荷載的關(guān)系。求出了不同受荷時(shí)間下合金自由面和貼輥面發(fā)生不同壓痕尺寸效應(yīng)的臨界荷載。求出了不同受荷時(shí)間下可獲得合金自由面和貼輥面真實(shí)硬度的最佳荷載值。要獲得真實(shí)的鐵基非晶態(tài)合金的顯微硬度，要針對(duì)不同的材料和受荷時(shí)間選擇合適的外加荷載。無論何種受荷時(shí)間，在560℃退火的FeCuNbSiB合金組織抵抗外力的能力最強(qiáng)，內(nèi)應(yīng)力消除程度最大，并得到最低的殘余應(yīng)力指數(shù)。通過顯微硬度分析中的壓痕尺寸效應(yīng)分析計(jì)算可以找到最佳退火溫度。隨著溫度

6、的變化，標(biāo)志顯微硬度與納米晶粒尺寸關(guān)系的H-P模型存在兩種趨勢(shì)，一種是正比關(guān)系，一種是反比關(guān)系，對(duì)于FeCuNbSiB合金，這兩種關(guān)系的臨界尺寸是70nm。在納米晶化階段，材料符合反常的H-P關(guān)系，而二步晶化階段符合正常的H-P關(guān)系。在納米晶化階段，保溫不同時(shí)間的合金仍然符合反常的H-P關(guān)系。 對(duì)于合金的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析顯示，F(xiàn)eSiB合金的動(dòng)態(tài)彈性模量值要大于FeCuNbSiB合金，尤其是儲(chǔ)存模量是FeCuNbSiB合金的10

7、倍以上；FeSiB合金的儲(chǔ)存模量峰值出現(xiàn)在350℃左右，而FeCuNbSiB的儲(chǔ)存模量峰值出現(xiàn)在400℃；FeSiB合金的損失模量在200～250℃以下較小，且變化不大；而FeCuNbSiB合金較小的損失模量能夠保持到300℃左右，且數(shù)值小于FeSiB合金。 對(duì)于退火態(tài)鐵基納米晶合金，各種Bm下的磁導(dǎo)率隨測(cè)試頻率的升高而降低，μ a以及分解得到的實(shí)部磁導(dǎo)率μ′和虛部磁導(dǎo)率μ″與頻率f皆呈乘方關(guān)系。建立一個(gè)磁導(dǎo)率頻率衰減指數(shù)n

8、μ，可得出磁導(dǎo)率衰減程度。對(duì)于FeCuNbSiB合金，在560℃退火后的磁導(dǎo)率衰減指數(shù)最小。各種Bm下的矯頑力隨測(cè)試頻率的升高而升高，Hc與頻率f皆呈乘方關(guān)系。建立一個(gè)矯頑力頻率遞增指數(shù)mHc，可得出矯頑力遞增程度。對(duì)于FeCuNbSiB合金，560℃退火后的矯頑力遞增指數(shù)最小。各種Bm下的鐵損隨測(cè)試頻率的升高而升高，Ps與頻率f皆呈乘方關(guān)系。建立一個(gè)鐵損頻率遞增指數(shù)KPs，可得出鐵損遞增程度。對(duì)于FeCuNbSiB合金，在5

9、60℃退火后的鐵損遞增指數(shù)最小。建立了交流情況下矯頑力和鐵損與Bm和頻率f之間的直接三維擬合方法，獲得較以往最小二乘法更好的效果和更小的誤差。 關(guān)于力學(xué)性能與磁性能的聯(lián)系，通過動(dòng)態(tài)力學(xué)分析可以得到FeCuNbSiB合金具有優(yōu)于FeSiB合金的非晶基體組織，從而使得晶化以后晶粒間磁性耦合可以在消耗較小內(nèi)能的情況下進(jìn)行，也就是交換的可能性更大，因此得到較好的軟磁性能。通過顯微硬度分析得到的結(jié)論，在560℃退火的FeCuNbSiB