铜含量对Ni50Mn25Ga25-xCux合金组织和磁热性能的研究

摘要

本文采用真空感应熔炼法制备3种不同成分的Ni50Mn25Ga25-xCux合金(x=2.2、3.0、3.8)。利用扫描电子显微镜(SEM)和金相显微镜(OM)观察Ni-Mn-Ga-Cu合金的微观组织结构，利用X射线衍射仪(XRD)、差热扫描量热仪(DSC)分析Ni-Mn-Ga-Cu合金的物相和马氏体相变过程，发现Cu元素含量低于6at％的掺杂不会出现第二相；对x=3.8的Ni-Mn-Ga-Cu合金采用熔体纺丝法制备直径尺寸为20μm到60μm的纤维，利用扫描电子显微镜(SEM)分析热处理前后合金纤维的物相成分，并使用综合物性测量系统（PPMS）测量热处理态纤维的磁热性能；使用动态机械分析仪(Q800 DMA)研究了Ni50Mn25Ga25-xCux(x=3.8)合金纤维的力学性能，结果表明Cu元素的掺杂明显改善了Ni-Mn-Ga合金本身的脆性。
　　选择Cu元素作为第四组元对Ni-Mn-Ga合金进行掺杂，合金元素成分配比为Ni50Mn25Ga25-xCux(x=2.2、3.0、3.8)时微观组织内部几乎没有第二相的析出，通过 X射线衍射分析发现室温下合金为单相马氏体。使用DSC分析合金的相变温度和居里温度，发现合金相变温度随Cu含量的增加而显著提高。随着Cu含量由2.2增加到3.8，合金马氏体相变开始温度由19.5℃增加到了100.2℃。随 Cu元素含量的提高，价电子浓度变化，相变温度随之升高，然而合金居里温度为70℃受Cu元素含量变化影响较小。
　　考虑到熔体纺丝法制备 Ni50Mn25Ga25-xCux纤维过程以及后续热处理过程中的成分损失，选择Cu含量为3.8时的合金铸锭制备纤维。对制备态纤维进行化学有序化热处理和去应力退火，采用PPMS测量其相变温度发现其马氏体相变点与居里点发生了耦合，有利于产生较高磁热效应。纤维在356K温度附近下具有最大的磁熵变，以356K为中心设计测量纤维的等温磁化曲线，计算纤维在5T、359K下条件的最大磁熵变为－5.3J/kg·K，与Ni-Mn-Ga合金不同制备状态相比，磁热效益明显提高。
　　利用DMA分别对标距为2mm、5mm和10mm的纤维进行室温拉伸，发现标距为2mm的纤维由于其具有较高的断裂强度和延伸率，本文选择其作为研究Ni-Mn-Ga-Cu合金纤维室温力学性能的标准。对直径分别为30μm、40μm、50μm的Ni-Mn-Ga-Cu合金纤维进行室温拉伸，发现随着纤维直径的增加，纤维的断裂强度从713MPa降低到447MPa、439MPa，弹性应变基本没有发生变化，分别为1.52%、1.62%、1.68%。30μm直径纤维断裂后最大塑性变形为为3.89%，
　　表现出较大的拉伸塑性。40μm、50μm直径纤维变形过程过程中拉伸塑性较小，断裂后最大塑性变形分别为0.57%、0.62%。纤维力学性能的变化与纤维内部微观结构、纤维成形过程中增加的缺陷有关。
　　对比制备态与热处理态的纤维室温拉伸性能，发现经过热处理后由于晶粒长大以及界面成分损失等因素，纤维的断裂强度和拉伸塑性发生了明显的降低。对比 Cu元素掺杂前后纤维的力学性能，可以发现 Cu元素可以显著降低Ni-Mn-Ga合金的本征脆性。此外对 Ni-Mn-Ga-Cu合金纤维进行了断裂可靠性评价。制备态Ni-Mn-Ga-Cu合金纤维具有较高的Weibull模数m和门槛应力值σu，相对于未掺杂Cu元素的Ni-Mn-Ga合金纤维，具有更高的断裂可靠性和使用安全性。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及意义

1.2传统形状记忆合金

1.3磁控形状记忆合金分类及性能特点

1.4 Ni-Mn-Ga的改性

1.5多种掺杂元素对Ni-Mn-Ga合金改性实例

1.6 Ni-Mn-Ga-Cu合金纤维的制备

1.7本文主要研究内容

第2章 试验材料及试验方法

2.1试验材料

2.2试验流程

2.3 Ni-Mn-Ga-Cu合金铸锭的制备

2.4 Ni-Mn-Ga-Cu合金纤维的制备

2.5试验方法

第3章 Ni-Mn-Ga-Cu合金的制备及组织

3.1引言

3.2 Ni-Mn-Ga-Cu合金的制备及热处理

3.3 Ni-Mn-Ga-Cu合金成分、组织及物相分析

3.4差示扫描量热法(DSC)分析

3.5本章小结

第4章 Ni-Mn-Ga-Cu合金纤维的磁热性能研究

4.1引言

4.2 Ni-Mn-Ga-Cu合金纤维的制备

4.3合金纤维的热处理

4.4 Ni-Mn-Ga-Cu纤维组织、成分及物相分析

4.5 Ni-Mn-Ga-Cu合金纤维的磁热效应

4.6本章小结

第5章 Ni-Mn-Ga-Cu纤维力学性能

5.1引言

5.2 Ni-Mn-Ga-Cu纤维准静态拉伸行为

5.3不同标距对纤维力学性能的影响

5.4热处理对纤维力学性能的影响

5.5 Ni-Mn-Ga-Cu纤维断裂可靠性分析

5.6本章小结

结论

参考文献

声明

致谢