【摘 要】
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Ni-Mn-Ga铁磁形状记忆合金由于具有大的输出应变和高的响应频率,不但具有传统热诱导形状记忆合金的特点,而且在磁场作用下能够产生形状改变,因而能在非接触调控下做出快速灵敏的响应。此外有γ相参与的Ni富集的Ni-Mn-Ga高温形状记忆合金,因其较高的马氏体相变温度（350℃以上）和极佳的延展性（超过30%的应变）吸引了广泛的研究兴趣。然而γ相的存在会阻碍马氏体孪晶的移动,影响退孪生行为。其中,基体
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Ni-Mn-Ga铁磁形状记忆合金由于具有大的输出应变和高的响应频率,不但具有传统热诱导形状记忆合金的特点,而且在磁场作用下能够产生形状改变,因而能在非接触调控下做出快速灵敏的响应。此外有γ相参与的Ni富集的Ni-Mn-Ga高温形状记忆合金,因其较高的马氏体相变温度（350℃以上）和极佳的延展性（超过30%的应变）吸引了广泛的研究兴趣。然而γ相的存在会阻碍马氏体孪晶的移动,影响退孪生行为。其中,基体相非调制的马氏体由于其复杂的多层次孪晶结构导致在合金的制备和训练过程中变体取向形成机制尚不明确。为此,有必要找到一种方法来控制γ相的形成和分布,减少对马氏体再取向的不利因素。在探索这一复杂的微观奥秘的过程中,本论文采用了定向凝固、甩带、强磁场等制备方法获得了多种组织形貌和微观结构的Ni-Mn-Ga合金,通过外场辅助定向凝固来研究了Ni-Mn-Ga合金的成分偏析（轴向宏观偏析,径向微观偏析,析出相以及亚结构）、马氏体变体的演变机制以及磁场的影响、外加载荷下的马氏体相变和退孪生行为以及析出相的影响。大量的能谱（EDS）、电子背散射衍射（EBSD）全程扫描追踪揭开了色彩斑斓的马氏体微观世界的神秘面纱,验证了晶体学的取向关系;透射电镜（TEM）从倒易空间洞悉了原子层面的位错和畸变;材料试验机通过加载外应力诠释了马氏体相变、退孪生等行为背后的演变机制。主要研究内容如下:研究设计了三种成分偏析的Ni-Mn-Ga合金:（1）利用低生长速度的定向凝固制备了一个具有轴向成分梯度的Ni-Mn-Ga合金棒,其成分变化趋势与Burton-Prim-Slichter关系相匹配,相应地晶体结构从奥氏体转变为马氏体。进而,利用EBSD和TEM研究发现相界面处晶体取向符合[100]∕∕[11?0]的关系。另外,沿着凝固方向的饱和磁化强度由于Mn离子之间抗铁磁性耦合的增加而降低。（2）利用定向凝固控制微观偏析程度,设计制造了一个包含规则排列的奥氏体和非调制马氏体的Ni-Mn-Ga合金,进而研究了微观偏析对马氏体相变温度的影响并验证了两相之间的取向关系。（3）分析了Ni富集的Ni-Mn-Ga合金块体样品中γ相内部的亚结构,发现了熔融甩带不同程度的抑制了Ni58Mn25Ga17和N60Mn25Ga15合金中的γ相以及诱发新相的形成。研究了马氏体的演变机制以及磁场对组织的影响:（1）在定向凝固的Ni-Mn-Ga合金棒中发现了三种截然不同的区域:自协调的固相区域,（110）M择优取向的液相区以及（001）M取向的单变体区。液相（110）M择优取向的组织的形成直接导致了淬火界面附近特殊的单变体的形成。由于液相区马氏体转变促使晶格沿纵向突然收缩,从而在连接处产生了拉应力。一个拉伸测试模拟证实了内应力诱导的单变体的形成。（2）研究比较了磁场对不同生长速度的定向凝固过程的影响,20μm/s时由于枝晶受到热电磁力的作用,结果导致柱状晶向等轴晶转变;析出相离散分布;马氏体基体（110）M择优取向被破坏。5μm/s时由于磁场产生的热电磁流使得溶质在边缘处富集,导致Ni58Mn25Ga17合金中γ相和马氏体的体积分数沿径向分层分布。（3）研究了磁场下定向凝固的Ni58Mn25Ga17合金内的γ相和NM马氏体的微观结构,结果发现定向凝固和磁场控制的内应力的综合效应诱导了γ相内部位错的重排和NM马氏体结构的紊乱。研究了不同磁场条件制备的合金受应力诱导时的马氏体相变及退孪生行为:（1）对上述规则排列的奥氏体和非调制马氏体的Ni-Mn-Ga合金施加三次循环压缩,实验表明压缩应力使马氏体转变温度增加。此外,应力引起了高Schmid因子的孪晶的退孪生,导致了<110>M取向的优势变体被保留,同时降低了位错密度。（2）研究了在逐步单轴压缩下Ni58Mn25Ga17合金的退孪生过程以及周围γ相对退孪生的影响。结果表明板内界面的移动归因于纳米孪晶较高的Schmid因子,新的板间界面的移动主要取决于马氏体变体内片层的优势取向。（3）发现磁场下制备的Ni富集的Ni-Mn-Ga合金中离散分布的γ相并不影响合金的抗压强度,然而γ相的存在阻碍了马氏体变体的重排,其自身由于低各向异性所以没有应力优先方向。马氏体在压应力作用时长轴趋于垂直于应力方向排列,在拉应力作用时长轴趋于平行于应力方向排列。这是因为在压缩过程中,变形梯度张量较小的变体是优势变体被保留;在拉伸过程中,变形梯度张量较大的变体是优势变体被保留。
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