Fe摻雜Mn-Cu系的恒模量和廣義類橡皮行為的研究.pdf

1、材料的異常性能總是會引起研究者的廣泛興趣，它們在各個領(lǐng)域的特殊場合下都存在著潛在的應(yīng)用。恒模量和類橡皮行為是材料的兩種異常性能。100年前，Guillaume發(fā)現(xiàn)并研發(fā)了兩種性能不隨溫度改變的合金—恒膨脹Invar合金以及恒模量Elinvar合金，為此他于1920年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。Weiss建立了基于兩種磁性狀態(tài)共存的物理學(xué)框架來解釋Invar效應(yīng)。隨后基于第一性原理的計算揭示了磁性態(tài)與晶格常數(shù)及模量的關(guān)聯(lián)，但是至今對于模量反常的

2、物理圖像在介觀尺度內(nèi)仍然不清楚。本文的目的就是通過實驗與相場模擬來揭示模量反常的起因。類橡皮行為的機制主要是“對稱性適應(yīng)短程序”理論（SC-SRO），其主要適用于有序合金，但對于無序合金的解釋略顯牽強。為此，本文將對無序合金是否存在類橡皮行為和它的起因進(jìn)行相場動力學(xué)模擬研究。兩種異常性能研究主要的結(jié)果描述如下：
　　1.對于三種Fe摻雜Mn-Cu合金進(jìn)行的動態(tài)力學(xué)分析（DMA）顯示：低濃度摻雜合金（Mn80Fe15Cu5）與高濃度

3、摻雜合金（Mn60Fe35Cu5）在-150℃至150℃均呈現(xiàn)正常的模量溫度效應(yīng)，即隨溫度降低模量升高，其中前者為單一或主導(dǎo)的同軸（Collinear）反鐵磁結(jié)構(gòu)，后者為單一或主導(dǎo)的非同軸（Non-collinear）反鐵磁結(jié)構(gòu)；而介于中間的摻雜合金（Mn70Fe25Cu5）在0℃至200℃之間呈現(xiàn)寬溫區(qū)的反常模量溫度效應(yīng)，其為一定比例的同軸反鐵磁結(jié)構(gòu)與非同軸反鐵磁結(jié)構(gòu)的組合。針對后者的相場動力學(xué)模擬，提出了“動態(tài)反鐵磁疇尺寸”效應(yīng)（D

4、AFDS），即高自旋同軸反鐵磁疇尺寸隨溫度上升（下降）而縮?。ㄔ龃螅?，相應(yīng)的低自旋非同軸疇界隨溫度上升（下降）而增大（縮小），由于高自旋同軸反鐵磁結(jié)構(gòu)具有較低的模量，由此導(dǎo)致了反常和連續(xù)的模量-溫度效應(yīng)。在上述模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了寬溫區(qū)模量反常的必要條件和充分條件：存在多種高自旋反鐵磁疇變體是模量反常的必要條件，由摻雜引入導(dǎo)致的低自旋（非同軸）反鐵磁疇界密度提高是模量反常的充分條件，由此很好地解釋了摻雜Mn-Cu合金中出現(xiàn)的模量正

5、常和反?，F(xiàn)象。該效應(yīng)首次在介觀尺度清晰顯示出高自旋疇長大和收縮的演化伴隨模量反常的物理圖像。
　　2.通過相場動力學(xué)模擬的Fe摻雜Mn-Cu合金模量隨溫度的變化，由此顯示出在單相奧氏體中無法得到寬溫度區(qū)的恒模量效應(yīng)，為此本文通過復(fù)合材料設(shè)計的思想，通過設(shè)計和優(yōu)化熱處理工藝，得到了Mn70Fe25Cu5合金中β、γ相的兩相組織，由β相控制正常模量溫度效應(yīng)、而γ相控制反常模量溫度效應(yīng)，由此整體樣品在-150℃至150℃的溫度區(qū)間內(nèi)模量

6、隨溫度波動在2％范圍內(nèi)，體現(xiàn)為300K寬溫區(qū)的Elinvar效應(yīng)，其遠(yuǎn)高于目前在Mn-Cu系及Mn-Fe-Cu系合金所報道的0℃-40℃的Elinvar效應(yīng)。
　　3.使用相場動力學(xué)模擬研究了[100][110]和[111]三個不同方向加載下馬氏體變體重排的動力學(xué)過程，結(jié)果表明，[100]方向加載去孿生（detwinning）為兩個馬氏體變體所需的臨界應(yīng)力最小，[110]方向加載去孿生為一個馬氏體變體所需要的臨界應(yīng)力其次，而[11

7、1]方向加載為母相（類似于逆相變）所需的應(yīng)力最大。當(dāng)卸載時，三個方向的組織回到加載前自協(xié)調(diào)的三個馬氏體。[100]和[110]方向的卸載導(dǎo)致的偽彈性來自于馬氏體變體重排，這一機制不同于通常的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體正逆相變機制。模擬結(jié)果也顯示出不同方向應(yīng)力加載條件下組織演化特征以及細(xì)微的界面遷移過程，即為一個加載-卸載偽彈性循環(huán)中微觀組織所經(jīng)歷的演化路徑，提出了導(dǎo)致偽彈性的馬氏體變體重排機制，這一機制不同于通常的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體正逆相變機制。