Co-Ni-Al系形狀記憶合金馬氏體相變過程及熱力學特征的研究.pdf

1、磁控形狀記憶合金(Magnetically Controlled Shape Memory Alloys，MSMA)是近幾年興起的新型功能材料，Co-Ni基合金不僅具有良好的塑性和加工性能、也具有顯著的磁各向異性和高的飽和磁矩。本文從Co-Ni-Al平衡相圖出發(fā)，結合不同溫度的等溫截面圖及凝固規(guī)律，考察合金基體在不同成分范圍下的相組成及不同熱處理工藝和不同制備工藝下的相組成及形態(tài)變化，研究不同相狀態(tài)下的合金相變特性。用快速凝固技術制備C

2、o-Ni-Al和Co-Ni-Al-X(X=Si/Sn)鐵磁性記憶合金，希望能夠通過合金化以及適當的熱處理工藝實現顯微組織結構優(yōu)化、提高合金磁性能、簡化加工工藝最終獲得合適的磁控形狀記憶合金。通過光學顯微鏡、SEM、FE-SEM、XRD等手段，探討晶體結構、形貌特征、相結構的變化;通過DSC、Tc溫度測量，結合Miedema模型與Chou模型對Co-Ni-Al-Si體系合金熱力學參數進行計算，預測合金化后可能形成的多元化合物，探討合金化和

3、熱處理工藝對合金相變特征的影響。采用VSM、顯微硬度測量研究合金磁性能和力學性能隨成分和熱處理工藝變化的變化趨勢。本文還對Co-Ni-Al體系合金添加Sn元素，研究該合金在微應力作用下的應變特征。希望能為制備出具備良好的機械加工性能和優(yōu)良形狀記憶性能的Co-Ni基磁控形狀記憶合金打下試驗基礎。主要的試驗結果和結論如下:
　　1、采用快速凝固技術制備Co38Ni34Al28-xSix(x=0，1，3，5，7，9)合金，隨著Si含量增

4、加，合金顯微組織變化趨勢由β+γ雙相組織→β+M→M+E→M相組織。合金鑄樣中共晶組織的比例隨著Si含量增加先是增加又逐步減少，當合金中Si含量為5at％時，其顯微組織為馬氏體相與共晶相共同存在，鑄樣合金中在Si含量小于5at％時，共晶成分逐步遞增;當Si含量在大于5at％繼續(xù)增加時，合金中的共晶相組織又趨于減少。Si的添加，獲得單一馬氏體相組織所需的淬火溫度逐步降低。Si的添加能促進馬氏體相形成，并導致γ相消失，從而有利于形成大的磁致

5、應變。
　　2、采用快淬甩帶法制備Co38Ni34Al23Si5和Co38Ni34Al19Si9合金，兩合金均由共晶體和馬氏體構成。在自由面上，Co38Ni34Al23Si5合金中共晶體的比例較大，Co38Ni34Al21Si7合金中馬氏體的比例高。能譜測量結果表明，馬氏體區(qū)域的Co含量比共晶區(qū)Co含量高，而Si、Al元素含量則相對減少。
　　3、合金相變溫度測試結果表明:添加Si元素使合金的馬氏體相變溫度明顯提高，隨著Si

6、含量的增加，合金在室溫下基本處于馬氏體相結構;合金的淬火處理提高了合金馬氏體相變溫度和逆相變溫度，淬火溫度越高，合金的馬氏體相變溫度提高越明顯。
　　4、合金居里溫度（Tc溫度）測量結果表明:Si的添加，合金的居里溫度開始呈上升趨勢，當Si含量增加至5at％時，合金的Tc溫度均達到最高值。隨著Si含量的繼續(xù)增加，合金的Tc溫度開始下降。對于合金的甩帶試樣，Si含量為5at％的居里溫度明顯高于Si含量為9at％甩帶試樣;合金淬火溫度

7、的提高使合金的Tc溫度升高，Si含量相同的條件下，居里溫度和淬火溫度成線性關系。Co-Ni-Al-Si四元合金體系的Miedema模型計算的形成焓表明，該合金體系在Si含量為5at％～7at％時，合金的形成焓達到最負值，說明該合金體系在Si含量為5at％～7at％時晶體結構最穩(wěn)定。用Si元素替代Al，Si含量為5at％～7at％時合金達到最佳性能。
　　5、合金的飽和磁化強度與熱處理條件及其組織結構有關。Co38Ni34Al28-

8、xSix合金磁滯回線測試結果表明，合金均呈軟磁特性。當Co38Ni34Al28-xSix基體為單一均勻相時，飽和磁化強度Ms逐步提高。對于鑄態(tài)合金，添加Si元素后，整體上使合金的飽和磁化強度降低。當合金經過熱處理后，基體以馬氏體相組織為主時，合金的飽和磁化強度明顯提高。當Si含量較低時，合金需要通過較高溫度的熱處理才能獲得單一相基體;隨著Si含量的提高，合金通過較低溫度淬火處理即可獲得單一馬氏體相。
　　6、對合金磁晶各向異性常數

9、K1的測量與計算表明:因Co38Ni34Al28-XSix(x=0，1，3，5，7，9)合金中，馬氏體相組織的體積分數隨著Si含量的增加或淬火溫度的提高而明顯增大，從而使合金的磁晶各向異性常數增大。
　　7、合金顯微硬度測量結果表明:與未添加Si元素合金鑄樣比較，1at％的Si含量的添加起到細晶強化作用，因此促使合金顯微硬度的提高，隨著Si含量提高，合金基體組織逐漸由β相轉變?yōu)镸+E相，馬氏體相組織的出現，合金的顯微硬度得到進一步

10、提高;淬火處理使合金的顯微組織趨向馬氏體化，因此顯微硬度進一步提高。
　　8、合金在應力作用下的相變行為研究結果表明: Co38Ni34Al28-xSnx(x=1，2，3)三組合金在室溫環(huán)境下，施加0.2kg、1kg和2kg載荷均出現明顯的應力誘發(fā)馬氏體相變，其中Co38Ni34Al27Sn1合金的應力誘發(fā)馬氏體相變行為最為明顯。DSC測試結果表明，Sn的加入使合金的馬氏體逆相變的熱效應增大;而同樣條件下，無添加Sn合金仍然保持母