铁磁形状记忆合金Ni-Fe-Ga及Ni-Mn-(In,Sn,Sb)第一原理研究
磁记忆
被检测构件表面不需要进行预处理 ;分别区分塑性变形区 和出弹性变形区。
操作简单快速,可重复性好和可靠性高;确定金属层滑动面 位置和产生疲劳裂纹的具体位置。 可以准确可靠地探测出被检测对象的应力集中部位或微 观缺陷部位 ,可以将裂纹在金属组织中的走向和是否继续 发展显示出来。 是迄今为止唯一有效的铁磁构件早期诊断方法。
发展方向
深入研究磁记忆检测机理
发展磁记忆检测方法的不同组合
建立裂纹的几何形状与应力值之间的数据库
研发磁记忆检测机器人
问题
做疲劳试验没有考虑到所用仪器的磁化作用，导 致测的数据有偏差，是不是制定量化标准的一大 障碍？ 地磁场的存在是否是诱发铁磁构件应力集中区形 成漏磁场的必要条件？ 什么样的材料围起来的空间没有磁场？ 管道表面的磁场信号强度在垂直面上随着远离管 道是否成线性变化？（先从条形磁铁下手）
俄罗斯学者杜波夫1997年公开提出金属磁记忆检测技术。
1999年来到我国参加了中国第七届无损检测年会时介绍 了该种无损检测方法 ,由此金属记忆检测技术在我国兴起 研究浪潮。 2002年俄罗斯焊接协会制定了焊接接头磁记忆检测标准。
磁记忆技术的国内外现状
DOUBOV教授提出了磁记忆效应学说, 基于磁机械效应、自发 磁化及磁致伸缩效应，认为磁记忆是利用构件载荷作用下形成 的位错滑移带区域而出现自由漏磁场。国内对磁记忆检测机理 研究有两个主要的观点: 任吉林等从能量平衡角度来解释了铁 磁体内部磁畴的畴壁发生不可逆的重新取向排列, 形成漏磁场, 提出了基于铁磁学基本理论的能量平衡说。仲维畅从电磁学角 度解释了在电磁感应作用下, 铁磁性材料的非对称弹塑性应变, 进而解释了金属磁记忆的磁机械效应。
形状记忆原理及应用PPT课件(2024版)
形状记忆合金（shape memory alloy）作为一种新型功能材料已经被广泛使用。该合金可以认为是始于1963年美国海军武器试验室（Naval Ordianace Laboratory）W.J.Buehler博士的研究小组对TiNi合金的研究。他们发现TiNi合金构件因为温度不同，敲击时发出的声音明显不同，这说明该合金的声阻尼性能和温度相关。进一步研究发现，等原子比TiNi合金具有良好的形状记忆效应。后来TiNi合金作为商品进入市场，给等原子比的TiNi合金商品取名为NiTinol，后面的三个字母就是该研究室的3个英文单词的第一个字母。目前形状记忆合金已广泛应用于航空、航天、能源、汽车工业、电子、医疗、机械、建筑、服装、玩具等各个领域。 形状记忆材料主要包括形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物，其记忆机制各不相同。本章将对与热弹性马氏体相变有关的形状记忆效应做基础性介绍。
需要解决的技术难点：
需要综合考虑应用的可靠性 冷加工的能力 宽的相变滞后（实现室温加工与储存）
宽滞后铜基记忆管接头的制备工艺路线：
合金成分设计 →熔炼、铸锭→均匀化退火 →车削表面→热挤毛坯管 →中间热处理冷拉 →车 削→记忆热处理 →记忆连接件室温 扩 径（扩径量为7.5%）→配接工艺→性能 测试。
冷却时，在无应力条件下马氏体在母相转变为马氏体的开始温度Ms时开始形成。若施加应力，马氏体可以在Ms以上温度形成，这种马氏体称为应力诱发马氏体（Stress-Induced Martensite，简称SIM）。它的相变驱动力不是热能而是机械能。
形状记忆合金记忆效应机理
大部分合金记忆材料是通过马氏体相变而呈现形状记忆效应。马氏体相变具有可逆性，将马氏体向高温相（奥氏体）的转变称为逆转变。形状记忆是热弹性马氏体相变产生的低温相在加热时向高温相进行可逆转变的结果。
Ni50.3 Mn27.3 Ga22.4磁性形状记忆合金薄膜的磁场增强马氏体相变应变研究
士， 研究方 向： 传感测试技术及 磁驱动形状记忆合金薄膜。
科ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
学
技
术
与
工
程
１ ２卷
时间 为 １０ｍｎ 溅射 功 率 为 ３０Ｗ ， 晶硅 衬 底 温 ２ ｉ， ０ 单 度 为室 温 。为使薄 膜试 样 完全 晶化 ， 其 从 单 晶 ｓ 将 ｉ 衬 底 上 剥 离 下 ， 退 火 温 度 为 ８３ Ｋ 下 真 空 退 火 于 ２ １ｈ 而后 随炉冷 却 。 ，
要
采用磁控溅射方法制备 Ｎ Ｍ Ｇ ２ 磁 性形状记忆合金薄膜 。研 究薄膜 的晶体 结构 、 ｉ ｎ ａ ２ 磁化行 为 以及磁 场对马 氏
体相 变应 变的影响。试验结果表 明， ８ ３Ｋ退火 １ｈ的 Ｎ∞， ， ａ ．薄膜 ， 经 ２ ｉ． Ｍｎ Ｇ ２ ２ 室温下处于奥 氏体 态 ， 呈较强 的（ １ ） １０ 织构特
１ ２ 样 品 的性能及 表征 ．
作用下发生马氏体孪晶变体再取 向， 或磁场诱发马
氏体 相变 而产 生大 可 逆应 变 的新 型 形 状记 忆 材 料 ，
兼具大输 出应变量 和高响应频率特 点。近年来受 到科研工作者 的广泛关注 ２ ｌ。然而， ｉ ｎＧ 合 Ｊ Ｎ— —ａ Ｍ
金体 材料 尚存 在脆 性 大 的缺 点 ， 很 大 程 度 上 限制 在 了这 种材 料 的应 用 。为 克 服 Ｎ— ．ａ合 金 块 体 材 ｉ Ｇ Ｍｎ 料 的问题 ， 且能 发挥 磁 性 形 状记 忆 合 金 大 磁致 应 变 和高 响应频 率 的优点 ， 展 Ｎ— —ａ磁性 形状 记忆 开 ｉ Ｇ Ｍｎ
第１ ２卷
第 １ ６期
２ １ ６月 ０ ２年
科
学
技
形状记忆合金的性质,应用及效应机制
片状马氏体
板条马氏体
针状马氏体
马氏体相变：
它是母相奥氏体（碳在 γ－Fe 中形 成的间隙固溶体，面心立方 FCC 点阵） 转变为马氏体的过程。
可 以 恰 当 而 简 练 的 定 义 为“ 原 子 联 动 所 引 起 的 切 变 型 点 阵 相 变 ”。母 相 中 的 原 子，不是处在各自零散状态，而是在保
在逆相变过程中，由于两相之间的点阵对应关系单一，且相变时点阵应变非常 小 ，因 而 逆 相 变 时 母 相 变 体 完 全 固 定 不 变 。这 样 一 来 ，逆 相 变 时 必 然 选 取 原 位 向 的 母 相，所以在产生热弹性相变的合金中，形状记忆效应以完全可逆的形式出现。
条件（2）是理所当然的，因为滑移是不可逆过程。也就是说，如果在晶体中出 现 滑 移 ，由 滑 移 导 致 的 变 形 即 使 加 热 也 消 除 不 了 。热 弹 性 马 氏 体 相 变 发 生 的 不 是 滑 移 ， 而 是 另 一 种 基 本 的 形 变 机 制 — — 孪 生 。从 微 观 上 看 ，晶 体 原 子 排 列 沿 某 一 特 定 面 镜 像 对 称 。那 个 面 叫 孪 晶 面（ 孪 晶 是 指 两 个 晶 体（ 或 一 个 晶 体 的 两 部 分 ）沿 一 个 公 共 晶 面 构 成 镜 面 对 称 的 位 向 关 系 ， 这 两 个 晶 体 就 称 为 " 孪 晶 " ， 此 公 共 晶 面 就 称 孪 晶 面 ）。 即 实 际 上 它 是 由 位 向 互 为 孪 晶 关 系 的 两 种 马 氏 体 区 构 成 ，每 一 个 马 氏 体 和 母 相 点 阵 之 间 具 有 晶 体 学 上 等 价 的 特 定 点 阵 对 应 关 系 。这 种 具 有 点 阵 对 应 关 系 的 每 个 马 氏 体 称 为 对 应变体。
TiNi形状记忆合金
Md>Af>Ap>As>Ms>Mp>Mf
相变点（ASTM F2005-00）
典型TiNi二元合金相变温度（美国SMA提供）
Example Mf Mp Ms As
f 长时间约束时效
方法：
富镍NiTi合金700℃固溶处理 500℃左右长时间约束时效
原理：
500℃左右长时间约束时效，析出Ti3Ni4粒子，使 R相变出现。发生B2→R→B19’相变。降温时发生R相 变和马氏体相变。R相和马氏体相将在Ti3Ni4粒子和B2 相界面处形核，只有某一特定取向的R相或马氏 相形成。出现双程形状记忆效应。
3 形状记忆效应和超弹性比较
联 系：本质都是马氏体
相变和逆相变引起，一 个是温度引起，一个是 应力引起。
区 别：形状记忆效应在
Mf点以下变形；超弹性 在Af点以上变形。
测试方法
1、相变温度测试
方法一：DSC法 F2004—00美国标准
原 理：吸、放热时，测试材料与参照材料的热流差值 标准规定：用于测量54.5—56.5wt%Ni
1、 形状记忆效应(Shape Memory Effet)
(2).双程形状记忆效应（Two-Way SME）
➢ 它对两种不同的形状进行记忆。 ➢ 一种是高温形状，一种是低温形状。 ➢ 通过加热和冷却，材料能够重复地由一种
形状转变为另一种形状。
获得方法
a 在马氏体状态过变形
b 形状记忆循环 C 伪弹性循环 d 结合形状记忆和伪弹性循环
F2082—01 方法：180℃弯曲的半径 不小于10倍丝径（为了 形状完全恢复），缓慢 加热。 优点：可测量超弹性金 属Af，记忆材料Af 缺点：Ms、Mf等相变点 无法测试
TMR效应
以磁性材料为主的磁传感器已经广泛的应用在国民经济的各个领域中。
已经实用化的有铁磁金属薄膜（Nife, FeCo基）磁敏器件；使用Fe-Co-V合金丝的威氏器件，基于热敏铁氧体的热簧开关；利用法拉第原理设计的光纤电流传感器和隔离器；采用磁性液体设计的多维度倾斜及震动传感器。
从使用的功能上看，磁传感器可制成磁编码器、位移传感器、转速传感器、气象传感器、新电功能图传感器等等。
只要设计巧妙，磁传感器几乎可应用在任何自动控制和传感领域。
传统的计算机硬盘读出头就是采用NiFe基薄膜制作的，虽然其磁电阻仅有2%～4%，但却足以支撑硬盘存储密度以每年50%以上的速度递增。
为了获得了更灵敏、功能更丰富的磁传感器，就必须研制开发出具有更高的磁电阻效应的材料。
1988年Fert等人在Fe/Cr多层膜中发现巨磁电阻效应（GMR）以来，伴随随着纳米材料科学基础和应用研究的深入，人们在许多人工有序新材料中发现了GMR效应，而后在混锰价氧化物中发现的超巨磁电阻效应（CMR）更令世人惊叹不已。
尤为重要的是IBM等公司在短短五、六年内，并于1994年推出了基于GMR效应的硬盘读出头，从而将硬盘的记录密度提高了17倍，达到5Gb/in2(注：1in=0.0254m，下同)，使得当时的其他主流硬盘厂商不得不充分挖掘传统NiFe基读出头的潜力以全力迎战。
目前，硬盘的目标是实现3.5in单片单面容量达到10Gb。
在这一层次上就只能采用GMR效应的读出头了。
下个世纪的硬盘读出头将属于GMR。
将GMR效应应用于传感器可探测空间微弱的磁场信号的变化，从而可在更高的精度实现机床的自动化精密加工。
在广阔的家电市场基于GMR材料的元器件也会更有用武之地。
但由于传统MR器件成本低、工业流程成熟，基于GMR材料的传感器件的开发一直较为缓慢。
本文力图简要的沿着GMR效应的发展，介绍一下近年来在纳米磁性材料基础研究和应用中的部分进展。
以供传感器专业领域的人士参考，进而希望有助于推动GMR等新型磁电材料在传感器领域的应用。
NITI形状记忆合金
NiTi形状记忆合金
NiTi形状记忆合金特别是近等原子比NiTi合金（48at％～52at％Ni），由于具有优良的形状记忆效应和超弹性、良好的机械性能以及很好的耐腐蚀性和生物相容性，广泛应用于工程领域和生物医学领域。
所谓形状记忆效是指某些呈现马氏体相变的合金所具有的一种奇特的性能，合金处于低温相时变形，加热到临界温度（逆相变点）通过逆相变恢复到原始形状。
超弹性是指合金在外力作用下产生远大于其弹性极限应变量的应变，在卸载时应变可自动恢复的现象。
由图1可以看出NiTi合金超弹性可分为线性和非线性两类。
非线性超弹性是在一定温度范围内加载与卸载过程中分别发生应力诱发马氏体相变及其逆相变的结果。
图1 NiTi合金力学性能
NiTi记忆合金物理力学特点
强度高、超弹性、耐腐蚀、耐疲劳；
低比重、弹性模量与人骨骼接近；
良好的生物相容性。
表1 NiTi合金典型的物理性能、化学成分及其用途
合金编号相转变温度A f
成分
(原子百分比 at%)
应用场合
1 10~20 °C ~50.7Ni，其余Ti 手机天线
2 0~20°C ~50.9Ni，其余Ti 导丝
3 0~10 °C ~50.77Ni 支架，编织线，细丝
4 20~40 °C ~50.5Ni，其余Ti 人体温度驱动装置，支架，过滤器
5 45~95 °C ~50.0-50.4Ni，其余Ti 驱动器，蠕形弹簧
6 95~115 °C <49.93Ni，其余Ti 驱动器。
坡莫合金
◆60年代初，中国钢铁研究总院发明了用横向磁场处理和加适量氧气的 方法，制得了Br和Hc接近于零，磁导率非常恒定的65%Ni- Fe合金(中国 牌号1J66)。 ◆70年代以后，为适应高频开关电源和磁记录技术发展的需要，在含高镍的镍铁合金 中加入铌、钽、钒、钨、钛、硅和铝等各种元素制得了高硬度、高电阻率、低损耗的 高磁导率合金，成为软磁合金中性能类型最多，品种和用途最广，最具代表性的合金。
Ni3Fe的结构图：面心立方 晶胞的面心位置由Ni原子占 有，而其顶角位置由Fe原子 占据。
坡莫合金的分类与性能：
在晶体的不同晶向上，磁性能 坡莫合金按成分可分为35%～40%Ni-Fe不同，称为磁晶各向异性。磁 合金、45%～50%Ni-Fe合金、 50%～65%Ni-Fe合金和70%～81%Ni-Fe 合金4大类。每一类都可做成 晶各向异性的大小用磁晶各向 具有圆形磁滞回线、矩形磁滞回线或扁平磁滞回线材料。 异性常数K来衡量 35%～40% 在含镍35%～40%范围内，磁晶各向异性K1随镍含量增加而减小，并且方形 比Br/Bs也变小，显示出圆形磁滞回线。这种圆形回线与高阻率(镍含量为 40%时，ρ=60μΩ.cm;而在48%时，ρ=45μΩ.cm) 和细晶粒各向同性微结构相 立方点阵的多晶体形变再 结合，导致较低的铁心损耗。 结晶后形成的一种 {100}<001>型织构。 45%～50% 该成分范围内的合金具有坡莫合金中最高的饱和磁化强度，且K1>O，易磁化方 向为<100>。通过形成立方织构可得到矩形磁滞回线，用于磁放大器、扼流圈和 变压器。也可通过形成二次再结晶的{210}织构，或借助初次再结晶形成细晶粒 各向同性显微组织，得到圆形磁滞回线。这种合金具有高磁导率和低矫顽力， 可用于电流变压器、接地故障断路器、微电机和继电器等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
铁磁形状记忆合金Ni-Fe-Ga及Ni-Mn-(In,Sn,Sb)第一原理研究铁磁形状记忆合金是一种新型的智能驱动材料,在具有最高可达10%的磁致应变同时有着丰富的物理效应如巨磁阻、巨磁热和交换偏置效应等。
此类合金的这些优良的物理特性使其具有巨大的开发潜力,可应用在驱动器、传感器和磁制冷等领域,从而成为目前国际金属材料和凝聚态物理研究领域的热点。
本论文使用第一原理计算的方法,研究了铁磁形状记忆合金Ni-Fe-Ga的磁各向异性和
Ni-Mn-(In,Sn,Sb)合金的变磁性转变性质,从理论计算出发验证了磁致应变发生的条件和探究了变磁性转变与合金成分及其与主族元素
的关系,并讨论了第一原理计算方法在预测新型形状记忆合金中的应用。
首先,本论文使用第一原理系统地计算了 Ni2FeGa合金的结构、弹性、磁弹性和晶格动力学性质。
发现计算所得的Ni2FeGa合金的弹性常数、各向同性弹性模量和德拜温度与实验和其他计算结果相符,并且得到的弹性常数和磁弹常数可以用在进一步的相场模拟中。
进一步我们使用包含自旋轨道耦合效应的密度泛函方法计算了
Ni2X(X=Mn,Fe,Co)Ga合金的磁各向异性能,通过态密度分析解释了Fedxy+dyz电子在费米能级附近的移动导致了 Ni2FeGa易磁化轴随
着应变变化。
以Ni2MnGa和Ni2FeGa合金为例,通过比较第一原理计算所得的孪生应力和磁应力的大小,验证了决定能否在马氏体相产生磁致应变的条件。
表明通过第一原理计算得到磁应力的大小可作为寻找新型铁磁形状记忆合金的一个判据。
其次,本文使用第一原理研究了 Mn和Co原子掺杂Ni2MnZ(Z=In,Sn,Sb)合金的结构、相稳定性和
磁性性质。
形成能结果表明额外的Mn和Co原子分别倾向于占据合金中Z和Ni原子位置。
进一步使用第一原理研究了合金在块体和薄膜情况下的变磁性转变,发现合金奥氏体和马氏体相能量差随着Mn成分增加而增大,而随着Co成分增加而减小,这与实验中相变温度与合金成分的关系相符。
键强度分析表明Mn-Sb强于Mn-In和Mn-Sn键,解释了实验中Sb合金需要更强的磁场来实验变磁性转变。
我们预测NiCoMnZ(Z=Sn,Sb)合金在较小的压应变下可实现变磁性转变。
通过德拜模型、电子态密度和布拉格-威廉姆斯模型,估算成分为
Ni50Mn37.5In12.5合金的晶格熵、电子熵、和磁性熵对总熵变的贡献。
最后,本论文使用第一原理研究了 FeRh合金铁磁和反铁磁相的结构、弹性常数、电子结构和晶格动力学性质。
在转变温度附近,从德拜模型和声子谱得到晶格振动熵变(-50 J/kg/K),并从电子态密度得到热电子熵变(7.8 J/kg/K),与实验结果相符(-33±9J/kg/K 和 8±1J/kg/K)。