單晶Ni-Mn-Ga孿晶界遷動(dòng)機(jī)制研究及應(yīng)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(yīng)變,又有較高的響應(yīng)頻率,作為一種新型的形狀記憶合金受到了廣泛的關(guān)注和研究。在晶體結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)磁學(xué)性能、合金中的相變以及磁致應(yīng)變表象機(jī)制等方面,都取得了顯著進(jìn)展,但是對(duì)于決定形狀記憶效應(yīng)的微觀機(jī)制尚未進(jìn)行深入的探討。本文通過(guò)內(nèi)耗和高分辨透射電子顯微鏡等研究手段,對(duì)Ni<,2>MnGa馬氏體中的界面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,討論了影響孿晶界遷動(dòng)的阻力因素以及得到較佳形狀記憶效應(yīng)的條件,最后,嘗試使用有限

2、元方法對(duì)Ni<,2>MnGa應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬和討論。 對(duì)Ni<,2>MnGa馬氏體的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察,馬氏體變體內(nèi)部有條狀的孿晶亞結(jié)構(gòu).當(dāng)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(yù)測(cè)如果對(duì)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(yīng)。 通過(guò)透射電鏡對(duì)Ni<,2>MnGa馬氏體變體的觀察及其重位點(diǎn)陣的計(jì)算說(shuō)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(guān)系。在高分辨原子像中觀察到大量的刃位錯(cuò),結(jié)合文獻(xiàn)預(yù)測(cè),在外場(chǎng)作用下,位于{112}孿晶面上的位錯(cuò)會(huì)沿<111>方向運(yùn)動(dòng),從而使孿晶界發(fā)生遷動(dòng),而其他位置的位錯(cuò)會(huì)對(duì)孿生位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)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(guò)內(nèi)耗實(shí)驗(yàn)對(duì)Ni<,2>MnGa的相變行為和孿晶界遷動(dòng)的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。Ni<,2>MnGa在

4、馬氏體相變和逆相變時(shí),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(guān)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(shí),有大量的孿晶形成,界面形成和運(yùn)動(dòng)的過(guò)程會(huì)使內(nèi)耗峰明顯增高。在馬氏體相變和逆相變時(shí),均有模量軟化的現(xiàn)象,但模量并沒(méi)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(wú)關(guān)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(dòng)。初步判定,所觀測(cè)到的內(nèi)耗峰是與孿

5、晶界遷動(dòng)相關(guān)的弛豫峰。根據(jù) Arrhenius 方程,計(jì)算所得激活能為 0.6eV,這個(gè)能量是孿晶界遷動(dòng)時(shí)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(guān)。 基于 Idesman 等的應(yīng)變軟化模型,在二維情況下,用有限元的方法對(duì)外力單向加載下的單晶 Ni<,2>MnGa 立方一四方馬氏體相變過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。為簡(jiǎn)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?jǐn)?shù)與外力加載的方

6、式有關(guān)。在外力作用下,有利取向的變體逐漸長(zhǎng)大,不利取向的變體逐漸縮小。在相變的過(guò)程中,相變前期生成的一部分馬氏體變體可能會(huì)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(yīng)力作用使這部分區(qū)域逆相變驅(qū)動(dòng)力增大造成的。當(dāng)材料某處存在缺陷時(shí),會(huì)產(chǎn)生一定的應(yīng)力集中,從而使相變由該處首先發(fā)生,馬氏體會(huì)將沿某幾個(gè)特定方向生長(zhǎng),直至材料邊緣處。這種方法可以對(duì)較大尺寸(大于100 nm)材料在應(yīng)力作用下組織形貌的演變進(jìn)行預(yù)測(cè),為工程實(shí)際應(yīng)用提供了有