NiFeGaCo与NiMnSnCoGd合金的马氏体相变、微观结构及压缩性能研究

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哈斯勒合金NiFeGa、NiMnSn由于在马氏体相变过程以及马氏体状态下表现出丰富而奇特的物理现象,例如大的磁致应变、巨磁热、磁阻等物理效应,因而具有广阔的潜在应用前景而备受人们关注。但是在该类合金中存在着诸如马氏体相变温度不稳定、材料脆性大等缺点,这些都是需要亟待解决的实际问题。本文以 Ni54-xFe16+xGa27Co3(x=0,1,2)、(Ni45Mn40Sn10Co5)100-xGdx(x=0,0.1,0.2,0.5,2)两种合金作为研究对象,利用非自耗电弧熔炼炉、真空喷铸甩带炉制备样品,利用光学显微镜(OM)、差示扫描量热仪(DSC)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、振动样品磁强计(VSM),对合金的微观组织、晶体结构、马氏体相变、压缩性能和磁性进行了系统的研究。对于 Ni54-xFe16+xGa27Co3(x=0,1,2)合金,室温下 XRD 结果表明,Ni54Fe16Ga27Co3合金组成相为14M马氏体和γ第二相;Ni53Fe17Ga27Co3合金由NM、14M马氏体和γ相组成;Ni52Fe18Ga27Co3炉冷合金由奥氏体、NM马氏体和γ相组成,Ni52Fe18Ga27Co3水冷合金则由NM、14M马氏体和γ相组成。分析DSC数据,发现该系列合金随着Fe含量的增加,马氏体相变温度逐渐降低,名义成分为Ni52Fe18Ga27Co3合金的马氏体相变温度降低至室温附近,所以该合金相结构为马氏体和奥氏体共存。此外,合金水冷样品相变温度略高于炉冷样品。比较了该系列合金的压缩性能发现:炉冷合金中,Ni53Fe17Ga27Co3合金中由于第二相最多,且在晶界和晶内均有析出,因此合金压缩强度最高,塑性最好;Ni52Fe18Ga27Co3合金中存在奥氏体和第二相,压缩性能稍差;Ni54Fe16Ga27Co3合金压缩强度最低,塑性最差。比较压缩试样的断口形貌,压缩强度高的Ni53Fe17Ga27Co3合金的断裂方式为穿晶解理断裂;压缩强度低的Ni54Fe16Ga27Co3、Ni52Fe18Ga27Co3合金的断裂方式一般为沿晶断裂。通过TEM对合金做了大量的观察和分析发现,除了观察到少量的6M马氏体外,其他结果与XRD基本一致。电子衍射试验和行貌观察结果表明,小颗粒的γ相与基体具有典型的K-S取向关系,即(111)γ//(110)M,[110]γ//[111]M;大颗粒的γ相通常在界面处有序化形成L12结构的γ’相,γ/γ’相与基体不存在取向关系。对于(Ni45Mn40Sn10Co5)100-xGdx(x=0,0.1,0.2,0.5,2)合金,室温下 Ni45Mn40Sn10Co5、(Ni45Mn40Sn10Co5)99.9Gd0.1、(Ni45Mn40Sn10Co5)99.8Gd0.2 的组成相为 10M 和 14M 马氏体,(Ni45Mn40Sn10Co5)99.5Gd0.5、(Ni45Mn40Sn10Co5)98Gd2 由 10M、14M 马氏体和第二相组成。随着稀土 Gd元素掺杂量的增加,晶粒逐渐细化。当x=0~0.2%时,合金马氏体相变温度随Gd掺杂浓度增大而增加;x=0.5~2%时,相变温度先降低再升高。Gd的掺杂对合金的热滞几乎没有影响。压缩试验结果表明,当掺杂量较少时随着稀土含量的增加,压缩强度略有增大;掺杂量大于0.5%(原子比)时,由于第二相析出和晶粒细化导致合金压缩性能有所增强,特别是对于(Ni45Mn40Sn10Co5)98Gd2合金,其压缩强度和塑性均有大幅提高。掺杂稀土后对合金的断裂模式产生一定的影响,第二相析出和晶粒细化是重要的影响因素,其中未掺杂Ni45Mn40Sn10Co5合金为沿晶断裂,(Ni45Mn40Sn10Co5)100-xGdx(X=0.1,0.2,0.5)为穿晶解理断裂,(Ni45Mn40Sn10Co5)98Gd2又变为沿晶断裂。通过XRD与TEM分析发现,高Gd掺杂合金中有两种第二相,一种第二相的结构类似于NiFeGaCo中的γ相,另一种第二相为六方结构的富Mn相,晶格常数为a=0.517nm,c=0.613nm,呈球状、四边形和六边形等多种形貌特征,与基体的取向关系为:(20(?))M//(0002)s,[7(?)1]M//[2(?)(?)0]s
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