【摘要】：磁致伸縮材料在換能器、制動(dòng)器、導(dǎo)波檢測等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。當(dāng)在較高頻率電磁場環(huán)境下應(yīng)用時(shí),為了減少渦流損耗,通常需要將磁致伸縮合金軋制成薄板,而合金薄板的磁致伸縮性能與其織構(gòu)密切相關(guān),強(qiáng)高斯織構(gòu)的獲得有利于實(shí)現(xiàn)薄板沿軋向磁致伸縮性能的最大化。磁致伸縮Fe-Ga合金軋制薄板的研究表明,要獲得強(qiáng)高斯織構(gòu),一種思路是通過添加抑制劑來控制二次再結(jié)晶過程中的晶粒生長,但由于Fe-Ga合金較大的晶界脆性,其軋制通常需要在高溫下進(jìn)行,難以對抑制劑顆粒尺寸進(jìn)行有效調(diào)控,目前Fe-Ga合金薄板中作為抑制劑的NbC顆粒尺寸較大,大多為微米級,抑制效果較弱,僅依靠添加抑制劑不能獲得強(qiáng)高斯織構(gòu);另一種思路是通過硫氣氛表面能誘導(dǎo)效應(yīng)來為高斯晶粒生長提供額外的驅(qū)動(dòng)力,雖然這種方法對獲得強(qiáng)高斯織構(gòu)薄板十分有效,但由于硫的使用而受到很大限制。針對這兩個(gè)方面的問題,本文從A1合金化入手來提高合金的塑性變形能力,實(shí)現(xiàn)對合金軋制工藝的有效調(diào)控,使NbC顆粒能夠在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)沉淀析出,得到具有強(qiáng)抑制效果的細(xì)小抑制劑顆粒,通過這些顆粒強(qiáng)烈地抑制非高斯晶粒的生長,從而使高斯晶粒優(yōu)先長大,獲得強(qiáng)高斯織構(gòu)薄板。通過定向凝固方法制備了001軸向取向多晶Fe82Ga18-xAlx(x=4.5,6,9,12,13.5)合金棒,磁致伸縮性能研究表明,合金最大飽和磁致伸縮系數(shù)隨A1含量的增加呈現(xiàn)近似線性下降的趨勢,但直線的斜率較小,Fe82Ga4.5Al13.5合金的飽和磁致伸縮系數(shù)依然可達(dá)198 ppm;拉伸力學(xué)性能研究表明,相比Fe-Ga合金,Fe-Ga-Al合金的塑性有大幅改善,其室溫延伸率從Fe-Ga合金的1.3%提高到Fe-Ga-Al合金的9.5%以上,且在4.5～13.5 at.%Al含量范圍內(nèi)Fe-Ga-Al合金均具有較高的室溫延伸率,但較低A1含量的合金高的延伸率主要來自于孿生機(jī)制的作用,而較高Al含量的合金高的延伸率主要來自于滑移機(jī)制的作用,因此其在高溫下將擁有更好的塑性變形能力,在650 0C拉伸試驗(yàn)時(shí),Fe82Ga4.5Al13 5合金的延伸率可達(dá)121.3%。通過第二相沉淀析出的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)理論計(jì)算出不同形核機(jī)制下NbC在(Fe82Ga4.5Al13.5)99.9(NbC)0.1合金中沉淀析出的最大形核率溫度,結(jié)果表明位錯(cuò)線上形核時(shí)的形核率比均勻形核時(shí)約大10個(gè)數(shù)量級,NbC在合金中沉淀析出時(shí)將主要以位錯(cuò)線上形核為主,位錯(cuò)線上形核時(shí)的最大形核率溫度約為720 ℃,且該溫度附近的形核率隨溫度變化不大,在此溫度以下較大溫度范圍內(nèi)沉淀析出均可獲得接近最大的形核率,從而獲得細(xì)小的NbC析出顆粒。通過對不同軋制工藝制備的Fe-Ga-Al-NbC合金薄板初次再結(jié)晶顯微組織、織構(gòu)分布、NbC顆粒的研究,發(fā)現(xiàn)溫軋板中間退火引起的初次再結(jié)晶薄板中組織織構(gòu)以及NbC顆粒的變化對二次再結(jié)晶薄板中高斯織構(gòu)和高磁致伸縮性能的獲得有著重要影響,中間退火工藝有利于獲得以高斯、γ-fiber織構(gòu)和立方織構(gòu)為主的初次再結(jié)晶織構(gòu),在尺寸為56～250 nm的NbC抑制劑顆粒的作用下,薄板可以在沒有硫氣氛表面能誘導(dǎo)的情況下,以0.25 ℃/min的升溫速率進(jìn)行連續(xù)升溫退火實(shí)現(xiàn)高斯晶粒的二次再結(jié)晶,獲得強(qiáng)高斯織構(gòu),飽和磁致伸縮系數(shù)達(dá)到156 ppm。通過對軋制工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì),采用900 ℃熱軋、500 ℃溫軋、650 ℃/15 min低溫中間退火和冷軋的軋制工藝制備出Fe-Ga-Al-NbC合金薄板,發(fā)現(xiàn)該薄板的初次再結(jié)晶織構(gòu)以γ-fiber和立方織構(gòu)為主,同時(shí)NbC顆粒尺寸約45 nm。在沒有硫氣氛表面能誘導(dǎo)的情況下,將該薄板以最高2 ℃/min的升溫速率進(jìn)行連續(xù)升溫退火或在1050 ℃保溫1 h以上進(jìn)行等溫退火,均可獲得強(qiáng)高斯織構(gòu),飽和磁致伸縮系數(shù)分別最高可達(dá)170 ppm和156 ppm。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG335.5
【圖文】：

對值會隨之增加到一個(gè)飽和值，此時(shí)的線磁致伸縮系數(shù)Ａ稱為飽和磁致伸縮逡逑系數(shù)Ａｓ，這種線磁致伸縮系數(shù)隨磁場的變化關(guān)系曲線稱為線磁致伸縮曲線，逡逑如圖２．１所示。逡逑＊逡逑Ｉ逡逑、飽和邐ｆ逡逑馨馨s6？｜｜｜｜邋ｔ邐邐邐邐邋邐ｉｉｉｎｍｉ逡逑Ｉ邋／ｉ７！逡逑｜邐／邐：邐力玫磁致伸縮逡逑崣邐丨邐ｎ邐／邐ｎ逡逑／邐＇邐Ｎ邐ｆ邐｜邐１邐１邋Ｓ逡逑ｙ邋＿＿逡逑０邐磁場（Ｈ）逡逑圖２．１鐵磁體的線磁致伸縮曲線逡逑與線磁致伸縮類似，體磁致伸縮效應(yīng)指的是體積為Ｆ的鐵磁體在磁場作逡逑用下發(fā)生ＡＦ的體積變化，其比值ＡＦ／Ｆ就稱為體磁致伸縮系數(shù)，以符號ｗ逡逑－３－逡逑

邐ｃＦ１６邐Ｆｍ３ｍ邐ＢｉＦ！逡逑如圖２．２所示為Ｆｅ－Ｇａ和Ｆｅ－Ａｌ合金的平衡相圖［６６Ｗ，可以看出Ｆｅ－Ｇａ逡逑和Ｆｅ－Ａｌ合金平衡相圖的富Ｆｅ區(qū)部分十分相似，它們在富Ｆｅ區(qū)存在的相的逡逑成分、符號、結(jié)構(gòu)以及空間群等分別列于表２．１和表２．２，可見在低溫區(qū)（４００°Ｃ逡逑－９－逡逑

以下）Ｆｅ－Ｇａ和Ｆｅ－Ａｌ合金中Ａ２相存在的成分范圍比較相近。逡逑周嚴(yán)等人［６８］通過金相、ＸＲＤ及ＥＤＳ分析并結(jié)合Ｆｅ－Ｇａ、Ｆｅ－Ａｌ和Ｇａ－Ａｌ逡逑二元相圖對Ｆｅ－Ｇａ－Ａｌ合金的富Ｆｅ區(qū)相圖進(jìn)行了預(yù)測。如圖２．３所示為逡逑Ｆｅ－Ｇａ－Ａｌ合金富Ｆｅ區(qū)６５０邋０Ｃ的等溫截面，該等溫截面包含４個(gè)單相區(qū)：Ａ２、逡逑Ｂ２、Ｄ０３、Ｄ０１９；邋４邋個(gè)兩相區(qū)：Ａ２＋Ｂ２、Ａ２＋Ｄ０３、Ｄ０３＋Ｄ０ｉ９、Ｂ２＋Ｄ０１９；未有逡逑發(fā)現(xiàn)Ｌｌ２單相區(qū)。此外，隨Ａ１含量增加Ａ２相區(qū)幾乎沒有變化，而Ｂ２單相逡逑區(qū)會有所擴(kuò)大，當(dāng)少量Ａ１替代Ｆｅ－Ｇａ合金中的Ｇａ時(shí)，0０１９單相區(qū)會快速縮逡逑０．０邐Ｑ１邐Ｑ２邐０．３逡逑ｍｏｌｅ邋ｆｒａｃｔｉｏｎ邋Ｇａ逡逑圖２．３邋Ｆｅ－Ｇａ－Ａｌ合金富Ｆｅ區(qū)６５０邋°Ｃ的等溫截面｜６Ｓ｜逡逑２．２．２邋Ｆｅ－Ｇａ－Ａｌ合金的磁致伸縮性能逡逑Ｓｕｍｍｅｒｓ等人［６９］總結(jié)了單晶Ｆｅ－Ｇａ和Ｆｅ－Ａｌ合金的磁致伸縮系數(shù)隨Ｇａ逡逑和Ａ１含量的變化關(guān)系，如圖２．４所示�？梢钥闯觯瑹o論是爐冷還是水洋，單逡逑晶Ｆｅ－Ｇａ合金的磁致伸縮系數(shù)都存在兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值出現(xiàn)在１７？１９逡逑ａｔ．°／0Ｇａ的范圍內(nèi)，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在２７？２９ａｔ．％Ｇａ的范圍內(nèi)，其最大磁致伸逡逑縮系數(shù)可達(dá)４００邋ｐｐｍ以上。Ｆｅ－Ａｌ單晶合金雖然磁致伸縮系數(shù)變化不如Ｆｅ－Ｇａ逡逑合金那么明顯，但仍然可以看出其變化趨勢與Ｆｅ－Ｇａ合金類似，同樣在？１９逡逑ａｔ．％Ａｌ含量時(shí)存在一峰值

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