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CO-NI-Al基磁控形状记忆合金的微观组织、力学及磁性研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 形状记忆效应

1.2.1 温度驱动形状记忆效应

1.2.2 磁场驱动形状记忆效应

1.2.3 磁控形状记忆合金的应用

1.3 传统Ni-Mn-Ga磁控形状记忆合金

1.3.1 Ni-Mn-Ga磁控形状记忆合金的微观结构

1.3.2 Ni-Mn-Ga磁控形状记忆合金的马氏体相变

1.3.3 Ni-Mn-Ga磁控形状记忆合金的力学性能

1.3.4 Ni-Mn-Ga磁控形状记忆合金的磁性能

1.3.5 Ni-Mn-Ga磁控形状记忆合金的磁致应变

1.3.6 合金化对Ni-Mn-Ga磁控形状记忆合金的影响

1.4 新型Co-Ni-Al磁控形状记忆合金

1.4.1 Co-Ni-Al磁控形状记忆合金的晶体结构

1.4.2 Co-Ni-Al磁控形状记忆合金的马氏体相变和磁转变

1.4.3 Co-Ni-Al磁控形状记忆合金的磁性能

1.4.4 Co-Ni-Al磁控形状记忆合金的力学性能

1.4.5 Co-Ni-Al磁控形状记忆合金的磁致应变

1.4.6 合金化对Co-Ni-Al磁控形状记忆合金的影响

1.5 本课题的研究背景、目的及主要内容

1.5.1 研究背景

1.5.2 研究目的和内容

参考文献

第二章 材料制备及试验方法

2.1 研究工艺路线

2.2 合金成分设计

2.2.1 Co-Ni-Al基体合金成分选择

2.2.2 合金化元素的选择

2.3 合金制备

2.3.1 原料的准备

2.3.2 熔炼设备和工艺

2.4 测试设备与测试方法

2.4.1 微观组织观察

2.4.2 相结构和成分分析

2.4.3 相变温度和磁转变温度测定

2.4.4 磁性能测定

2.4.5 力学性能测定

2.4.6 磁致应变测定

参考文献

第三章 Co-Ni-Al基磁控形状记忆合金形变驱动力研究

3.1 引言

3.2 Co-Ni-Al磁控形状记忆合金的形变驱动力影响因素

3.2.1 Co-Ni-Al基体合金的饱和磁化强度

3.2.2 Co-Ni-Al基体合金的磁晶各向异性常数

3.2.3 Co-Ni-Al基体合金的形变驱动力

3.3 合金元素对Co-Ni-Al合金的形变驱动力的影响

3.3.1 合金元素对基体合金的饱和磁化强度影响

3.3.2 合金元素对基体合金的磁晶各向异性的影响

3.3.3 合金元素对基体合金的形变驱动力影响

3.4 分析讨论

3.4.1 合金元素增强基体合金的饱和磁化强度

3.4.2 合金元素提升基体合金的磁晶各向异性

3.4.3 合金元素对形变驱动力的影响

3.5 本章小结

参考文献

第四章 Co-Ni-Al基磁控形状记忆合金微观组织和马氏体相变

4.1 引言

4.2 Co-Ni-Al合金的微观组织和相结构

4.2.1 显微组织

4.2.2 相组成和结构

4.2.3 马氏体相变行为及其微观结构

4.3 Co-Ni-Al-Fe合金的微观组织和结构

4.3.1 Fe含量对合金显微组织的影响

4.3.2 Fe含量对合金相组成和结构的影响

4.3.3 马氏体相变行为及其微观结构

4.4 Co-Ni-Al-Gd合金的微观组织和结构

4.4.1 Gd含量对合金显微组织的影响

4.4.2 Gd含量对合金相组成和结构的影响

4.4.3 马氏体相变行为及其微观结构

4.5 Co-Ni-Al-Dy合金的微观组织和结构

4.5.1 Dy含量对合金显微组织的影响

4.5.2 Dy含量对合金相组成和结构的影响

4.5.3 马氏体相变行为及其微观结构

4.6 Co-Ni-Al-Er合金的微观组织和结构

4.6.1 Er含量对合金显微组织的影响

4.6.2 Er含量对合金相组成和结构的影响

4.6.3 马氏体相变行为及其微观结构

4.7 分析讨论

4.7.1 微观组织演化机理

4.7.2 马氏体相变温度强化机制

4.7.3 马氏体相变机制

4.8 本章结论

参考文献

第五章 Co-Ni-Al基磁控形状记忆合金的磁性能研究

5.1 引言

5.2 Co-Ni-Al-Fe合金的磁性能研究

5.2.1 Co-Ni-Al-Fe合金的磁化特性和居里温度

5.2.2 Co-Ni-Al-Fe合金的磁晶各向异性常数

5.3 Co-Ni-Al-Gd合金的磁性能研究

5.3.1 Co-Ni-Al-Gd合金的磁化特性和居里温度

5.3.2 Co-Ni-Al-Gd合金的磁晶各向异性常数

5.4 Co-Ni-Al-Dy合金的磁性能研究

5.4.1 Co-Ni-Al-Dy合金的磁化特性和居里温度

5.4.2 Co-Ni-Al-Dy合金的磁晶各向异性常数

5.5 Co-Ni-Al-Er合金的磁性能研究

5.5.1 Co-Ni-Al-Er合金的磁化特性和居里温度

5.5.2 Co-Ni-Al-Er合金的磁晶各向异性常数

5.6 分析讨论

5.6.1 元素掺杂增强Co-Ni-Al合金磁性能机制

5.6.2 元素掺杂对Co-Ni-Al合金磁晶各向异性的影响

5.7 本章结论

参考文献

第六章 Co-Ni-Al基磁控形状记忆合金的力学性能研究

6.1 引言

6.2 Co-Ni-Al-Fe合金的力学性能研究

6.2.1 Co-Ni-Al-Fe合金的硬度

6.2.2 Co-Ni-Al-Fe合金的压缩变形行为

6.3 Co-Ni-Al-Gd合金的力学性能研究

6.3.1 Co-Ni-Al-Gd合金的硬度

6.3.2 Co-Ni-Al-Gd合金的压缩变形行为

6.4 Co-Ni-Al-Dy合金的力学性能研究

6.4.1 Co-Ni-Al-Dy合金的硬度

6.4.2 Co-Ni-Al-Dy合金的压缩变形行为

6.5 Co-Ni-Al-Er合金的力学性能研究

6.5.1 Co-Ni-Al-Er合金的硬度

6.5.2 Co-Ni-Al-Er合金的压缩变形行为

6.6 分析讨论

6.6.1 元素掺杂对Co-Ni-Al合金的硬度影响分析

6.6.2 元素掺杂对Co-Ni-Al合金压缩力学性能影响分析

6.7 本章结论

参考文献

第七章 Co-Ni-Al基磁控形状记忆合金的磁致应变研究

7.1 引言

7.2 Co-Ni-Al-Fe合金的磁致应变研究

7.2.1 Co-Ni-Al-Fe合金的形状记忆回复率

7.2.2 Co-Ni-Al-Fe合金的磁致应变

7.3 Co-Ni-Al-Gd合金的磁致应变研究

7.3.1 Co-Ni-Al-Gd合金的形状记忆回复率

7.3.2 Co-Ni-Al-Gd合金的磁致应变

7.4 Co-Ni-Al-Dy合金的磁致应变研宄

7.4.1 Co-Ni-Al-Dy合金的形状记忆回复率

7.4.2 Co-Ni-Al-Dy合金的磁致应变

7.5 Co-Ni-Al-Er合金的磁致应变研宄

7.5.1 Co-Ni-Al-Er合金的形状记忆回复率

7.5.2 Co-Ni-Al-Er合金的磁致应变

7.6 分析讨论

7.6.1 元素掺杂及热机械循环对Co-Ni-Al合金的形状记忆回复率影响分析

7.6.2 Co-Ni-Al基合金磁致应变过程分析

7.7 本章结论

参考文献

第八章 主要结论

本课题研究的创新点和以后工作展望

科研成果清单

致谢

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摘要

Co-Ni-Al系列合金作为一种新型磁控形状记忆合金,它不仅具有磁控形状记忆合金的高响应频率和大磁致应变等特点,还具有传统磁控形状记忆合金Ni2MnGa所缺乏的良好力学性能和可加工性等优点。目前,Co-Ni-Al系列磁控形状记忆合金所能获得的磁致应变还比较小,多晶Co-Ni-Al合金在外磁场作用下只能获130 ppm左右的磁致应变,对其工业应用有着严重的制约。因此,如何提高Co-Ni-Al的磁控形状记忆效应成为广大材料工作者的研究重点。从磁控形状记忆效应的解析模型来看,提高Co-Ni-Al合金的磁致应变可以通过提高合金的磁晶各向异性和饱和磁化强度,同时降低相变临界应力和马氏体再取向应力来实现。目前最主要也是最直接的方法就是通过合金化来提高合金的磁晶各向异性和饱和磁化强度,通过相变的控制和相分布来降低相变临界力和马氏体再取向应力。
  本文运用金相分析(OM)、X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、X-射线能谱(EDX)、透射电镜(TEM)、震动样品磁强计(VSM)和电子万能试验机等多种现代分析和测试手段,系统地研究了铁磁性元素Fe、Gd、Dy和Er掺杂对Co-Ni-Al基合金的显微组织、马氏体相变、磁性能以及力学性能影响规律。同时,分析了铁磁性元素合金化对Co-Ni-Al合金的磁晶各向异性和饱和磁化强度强化机制。
  研究发现,随着铁磁性元素Fe、Gd、Dy和Er的掺杂取代Co-Ni-Al合金中的Al元素,合金的显微组织由原来双相结构(即基体相β相与处于晶界处的γ相)逐渐转变为β相+γ相+马氏体的三相结构,最后再转变为γ相+马氏体的新双相结构。处于晶界处的γ相随着掺杂元素含量的增多开始沿着晶界变得粗大起来,而晶内少量弥散状的γ相则逐渐消失。当Dy和Er的掺杂量超过0.5 at.%时,在粗大的γ相中分别形成块状的金属间化合物Co5Dy和Co2Er,并且随着Dy和Er的掺杂量的进一步上升,γ相中沉积的金属间化合物数量持续增多。
  铁磁性元素Fe、Gd、Dy和Er取代Co-Ni-Al中的Al元素后可以明显提高合金的核外价电子浓度,从而促使马氏体相变温度上升。并且在掺杂的过程中,掺杂量越大,合金核外价电子浓度就越高,合金的马氏体相变温度相应地逐渐上升,最终超过室温,在合金中获得室温马氏体组织。此外,合金中马氏体界面呈矛头状自协作结构,其内部是由高密度位错的亚结构形成,在相变界面迁移的过程中始终沿着马氏体簇孪晶界移动,形成板条状孪晶马氏体。
  对材料磁性能研究表明,铁磁性元素Fe、Gd、Dy和Er在0~1.0 at.%范围内掺杂时,合金的饱和磁化强度随着掺杂量的增加逐渐上升。当掺杂量超过1.0at.%时,Fe的继续掺杂使合金饱和磁化强度继续上涨,而Gd、Dy和Er的继续掺杂则使合金饱和磁化强度逐渐下降。在掺杂的过程中,合金也随着掺杂量的增加变得难以磁化。同时,随着元素掺杂量的上升,合金的磁晶各向异性常数也随之持续增长,使合金的磁各向异性能得到提高。
  力学性能研究表明,在铁磁性元素Fe、Gd、Dy和Er掺杂时,合金的硬度随掺杂量的增加呈现出逐渐下降的趋势,但随着掺杂量的继续上升,合金的硬度下降趋势有所缓和。当铁磁性元素的掺杂量达到并超过0.5 at.%时,Fe和Gd的继续添加使合金的硬度保持下降趋势,但逐渐趋于平缓;而Dy和Er的继续添加使合金的硬度逐渐上升。此外,铁磁性元素掺杂后, Co-Ni-Al合金的压缩断裂强度和压缩应变均随着掺杂量的增加持续上升。但是在掺杂Dy和Er的量超过0.5 at.%的合金中,合金的压缩断裂强度和应变均随着Dy和Er的掺杂量上升开始有所降低。
  合金形状记忆回复率及磁致应变研究结果表明,铁磁性元素Fe和Gd的掺杂能有效提高Co-Ni-Al合金的记忆回复率,其回复率随着掺杂量的增加持续上升。元素Dy和Er的掺杂则使Co-Ni-Al合金的记忆回复率随着掺杂量的增加先上升后下降,与此同时,在压缩量较小或多次热机械循环后,Co-Ni-Al合金均表现出较高的记忆回复率。铁磁性元素的掺杂能够使Co-Ni-Al合金的磁致应变得到明显的增加。当掺杂量低于0.5 at.%时,合金的磁致应变随着铁磁性元素的掺杂量上升逐增加;但是当掺杂量超过0.5 at.%,Fe和Gd的掺杂使合金的磁致应变逐渐增大,而Dy和Er的掺杂则使合金出现逐渐减小的趋势。

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