掺杂Co和Cu对Ni--Mn--Ga合金马氏体相变和磁性能的影响

摘要

Ni-Mn-Ga系铁磁形状记忆合金的相变与磁性能具有强烈的成分的依赖特性，可通过合金化的方法进行调控。本论文研究以Ni50Mn28Ga22合金为基础，分别以Cu替代Mn，Co替代Ni及Cu和Co同时替代Mn和Ni的方式进行合金，制备了成分分别为Ni50Mn28-xCuxGa22(x=0，1，2，3，4，5，6，7)、Ni50-xCoxMn28Ga22(x=1，2，3，4，5，6，7)、和Ni50-xCoxMn28-xCuxGa22(x=1，2，3，4，5，6，7)的三组合金铸锭。利用差示扫描量热仪(DSC)、磁学测量系统(MPMS)、振动样品磁强计(VSM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)和万能试验机系统研究了加入Co和Cu元素对合金结构转变、磁转变、饱和磁化强度、晶体结构、微观组织形貌以及力学性能的影响。
　　基于DSC和MPMS测量，发现在Ni50Mn28Ga22合金中以Cu替代Mn可以提高合金的马氏体相变温度，并降低居里温度;以Co替代Ni会降低合金的马氏体相变温度并提高居里温度;同时以Co替代Ni及Cu替代Mn，合金的马氏体相变温度随添加元素的增加呈上升趋势，而居里温度则先缓慢上升，到Co和Cu含量为3％时开始快速下降。
　　XRD测量结果表明，Ni50Mn28Ga22合金室温相为5M马氏体;加入Cu元素，当Cu含量为1％和2％时，室温相仍保持5M马氏体，当Cu含量为3-7％时，室温相为7M+NM马氏体的混合物;Ni50Mn28Ga22合金中加入Co元素，合金的室温相均为奥氏体;同时加入Co和Cu元素，当Co和Cu含量为1％时，合金的室温相为5M马氏体，含量为2-7％时，室温相为7M+NM马氏体的混合物，与单独加入Cu元素的合金相似。
　　SEM微观组织观察表明，5M马氏体的微观组织由粗大的马氏体板条构成，且粗大板条内部包含更加细小的板条并存在一定的弯折;7M与NM马氏体共存的组织中，NM马氏体的板条宽度要大于7M马氏体板条的宽度，且NM马氏体由细小的马氏体板条平行排列构成。
　　根据VSM测量结果发现，三种替代方式的合金室温下均为铁磁态。以Cu掺杂的合金中，随着Cu含量的增加，合金的饱和磁化强度先下降再上升，到3％时达到最大值后开始下降;向合金中加入Co元素，会使合金的饱和磁化强度上下波动，但总体呈上升趋势;同时加入Cu和Co元素，合金的饱和磁化强度先上升，到1％之后呈下降趋势。
　　力学性能测量结果表明，向合金中加入Cu元素，当Cu含量为1％时，合金的断裂强度升高，当Cu含量到2％以后，合金的断裂强度开始呈下降趋势;而加入Co的合金断裂强度则上下波动，无明显规律，但加入Co的合金断裂强度均比原始合金Ni50Mn28Ga22的断裂强度高，说明Co对该合金有一定的强化作用;向合金中同时加入Co和Cu元素，当Co和Cu含量为1-4％时，合金的断裂强度逐渐增大，在含量为4％时达到最大，而后呈现先下降，后上升的趋势。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 形状记忆合金

1．3 Ni-Mn-Ga系铁磁形状记忆合金

1．3．1 Ni-Mn-Ga合金磁性起源与晶体结构

1．3．2 Ni-Mn-Ga合金的中间马氏体相变与预马氏体相变

1．3．3 Ni-Mn-Ga合金的磁致应变

1．3．4 Ni-Mn-Ga合金的研究现状

1．3．5 Ni-Mn-Ga合金的马氏体相变温度、居里温度与合金化

1．4 本文研究内容及意义

第2章 合金制备与实验方法

2．1 合金的制备

2．2 合金结构／磁转变分析

2．3 合金晶体结构测定

2．4 合金微观组织观察及成分鉴定

2．5 合金磁性能测定

2．6 合金力学性能测定

第3章 合金的成分鉴定

3．1 引言

3．2 Ni50Mn28-xCuxGa22合金的成分鉴定

3．3 Ni50-xCoxMn28Ga22合金的成分鉴定

3．4 Ni50-xCoxMn28-xCuxGa22合金的成分鉴定

3．5 本章小结

第4章 结构／磁转变分析

4．1 引言

4．2 Ni50Mn28-xCuxGa22合金结构／磁转变分析

4．2．1 Ni50Mn28-xCuxGa22合金结构转变分析

4．2．2 Ni50Mn28-xCuxGa22合金磁转变分析

4．3 Ni50-xCoxMn28Ga22合金结构／磁转变分析

4．3．1 Ni50-xCoxMn28Ga22合金结构转变分析

4．3．2 Ni50-xCoxMn28Ga22合金磁转变分析

4．4 Ni50-xCoxMn28-xCuxGa22合金结构／磁转变分析

4．4．1 Ni50-xCoxMn28-xCuxGa22合金结构转变分析

4．4．2 Ni50-xCoxMn28-xCuxGa22合金磁转变分析

4．5 本章小结

第5章 晶体结构测定

5．1 引言

5．2 Ni50Mn28-xCuxGa22合金X衍射测定

5．3 Ni50-xCoxMn28Ga22合金X衍射测定

5．4 Ni50-xCoxMn28-xCuxGa22合金X衍射测定

5．5 本章小结

第6章 磁性能测定

6．1 引言

6．2 Ni50Mn28-xCuxGa22合金磁性能测定

6．3 Ni50-xCoxMn28Ga22合金磁性能测定

6．4 Ni50-xCoxMn28-xCuxGa22合金磁性能测定

6．5 本章小结

第7章 微观组织观察

7．1 引言

7．2 Ni50Mn28-xCuxGa22合金的微观组织

7．3 Ni50-xCoxMn28Ga22合金的微观组织

7．4 Ni50-xCoxMn28-xCuxGa22合金的微观组织

7．5 本章小结

第8章 力学性能测定

8．1 引言

8．2 Ni50Mn28-xCuxGa22合金力学性能测定

8．3 Ni50-xCoxMn28Ga22合金力学性能测定

8．4 Ni50-xCoxMn28-xCuxGa22合金力学性能测定

8．5 本章小结

第9章 结论

参考文献

致谢