Ti-Ni和Nb(Ta)-Ru及Ni-Mn-Ga记忆合金的合金化机制研究

摘要

本文采用基于密度泛函理论的第一原理平面波赝势法，研究了合金元素对Ti-Ni、Nb-Ru、Ta-Ru和Ni-Mn-Ga形状记忆合金的总能量、电子结构及弹性性质的影响规律，阐明了合金元素对马氏体相变和磁相变作用机理；研究了Ni-Mn-Ga合金的光学性质，揭示了相结构对光学性质的影响规律及物理本质。
　　研究发现，添加Pt、Pd对Ti-Ni合金的弹性常数有显著影响，随着Pt和Pd含量增加，Ti-Ni-Pt和Ti-Ni-Pd的各向异性因子A增大，马氏体相变类型由B2→B19′变为B2→B19。Pt和Pd含量增加，C'减小，从而导致马氏体相变温度升高，C'减小的微观机制是较弱的Tid-Ptd、Tid-Pdd杂化取代了Tid-Nid杂化。添加Hf对Ti-Ni合金的A影响较小，Ti-Ni-Hf的马氏体相变类型仍为B2→B19′。随Hf含量增加C44减小，导致Ti-Ni-Hf合金的马氏体相变温度升高。Cu和Fe的加入对Ti-Ni合金的弹性常数也有显著影响。随Cu含量增加，Ti-Ni-Cu的A和C44增大，A的增大使马氏体相变类型由B2→B19′变为B2→B19，C44的增大导致B19→B19′转变温度降低。Ti-Ni-Fe的A较小，因此Ti-Ni-Fe发生的是B2→B19′相变。Fe的加入使C44增大，导致Ti-Ni-Fe的马氏体相变温度低于TiNi。
　　研究确定了Nb-Ru和Ta-Ru合金β′相的晶体结构，其空间群为P4/mmm，原子位置为Nb(Ta)(0,0,0),Ru(0.5,0.5,0.5)。Nb-Ru和Ta-Ru合金母相先由立方晶格转化为c/a小于1的四方晶格，再进一步转变成为c/a大于1的β′相。Nb-Ru和Ta-Ru合金的β→β′马氏体相变由C'在马氏体相变温度附近软化引发。Ru与Nb、Ru与Ta之间的d-d杂化决定Nb-Ru和Ta-Ru合金相稳定性。Fe在Nb-Ru和Ta-Ru合金中倾向于占Ru位。Fe的加入使Nb-Ru和Ta-Ru母相稳定性提高，马氏体相变温度降低，其原因在于Fe与Nb(Ta)之间的d-d杂化强于Ru与Nb(Ta)之间的d-d杂化。随Ru含量降低，Nb-Ru和Ta-Ru合金母相稳定性提高，马氏体相变温度降低。
　　研究表明，Ni-Mn-Ga-Co母相顺磁态与铁磁态的总能量差对其居里温度有重要影响，随着Co取代Ni含量的增加，母相顺磁态与铁磁态的总能量差增大，导致居里温度升高。Co-Mn交换作用比Ni-Mn的强是居里温度升高的主要原因。Co3d-Mn3d杂化比Ni3d-Mn3d杂化更强。随Co含量增加，更多的Co3d-Mn3d杂化取代了Ni3d-Mn3d杂化，使母相稳定性提高，马氏体相变温度降低。Co的加入对Ni-Mn-Ga-Co母相的自旋向上能态密度几乎没有影响，但明显改变自旋向下能态密度。Cu取代Ga使Ni-Mn-Ga-Cu马氏体相顺磁态与铁磁态总能量差减小，母相与马氏体相总能量差增大，导致居里温度降低、马氏体相变温度升高。Fe取代Mn提高Ni-Mn-Ga母相稳定性，从而导致马氏体相变温度的降低，但当Fe含量高于18.75at.％时，由于相的出现使母相稳定性降低。能态密度分析表明，费米能级处的总能态密度可以准确地表征母相稳定性。
　　实验结果表明，马氏体相变对Ni-Mn-Ga合金的光学性质有较大影响。当波长从800nm降至250nm时，Ni-Mn-Ga合金的母相与马氏体相反射率先增大，后减小。马氏体相反射率比母相的大，两者的反射率反衬度最大值为24%。马氏体相变对Ni3d态的影响是其显著改变光学性质的本质原因。

目录

Ti-Ni和Nb(Ta)-Ru及Ni-Mn-Ga记忆合金的合金化机制研究

INVESTIGATION ON MECHANISM OF ALLOYING EFFECT IN Ti-Ni, Nb (Ta)-Ru AND Ni-Mn-Ga SHAPE MEMORY ALLOYS

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 Ti-Ni形状记忆合金的马氏体相变

1.3 Nb(Ta)-Ru形状记忆合金的马氏体相变

1.4 Ni-Mn-Ga合金的马氏体相变与磁感生应变

1.5 选题意义及主要研究内容

第2章 计算与试验方法

2.1 计算方法

2.2 试验方法

第3章 Ti-Ni合金的合金化机制

3.1 引言

3.2 Ti-Ni合金中Pt和Pd的合金化机制

3.3 Ti-Ni合金中Hf的合金化机制

3.4 Ti-Ni合金中Cu和Fe的合金化机制

3.5 Ti基二元形状记忆合金的马氏体相变机制

3.6 本章小节

第4章 Nb(Ta)-Ru合金的电子结构和弹性性质与合金化机制

4.1 引言

4.2 NbRu合金的晶体结构与电子结构

4.3 NbRu合金的弹性性质

4.4 Nb-Ru合金的合金化机制

4.5 TaRu合金的晶体结构与电子结构

4.6 TaRu合金的弹性性质

4.7 Ta-Ru合金的合金化机制

4.8 本章小节

第5章 Ni-Mn-Ga合金的合金化机制及光学性质

5.1 引言

5.2 Ni2MnGa合金的晶体结构和电子结构及磁性质

5.3 Ni2MnGa合金中Co合金化机制

5.4 Ni2MnGa合金中Cu合金化机制

5.5 Ni2MnGa合金中Fe合金化机制

5.6 Ni-Mn-Ga合金的光学性质

5.7 本章小节

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历