磁场对NiMnGa单晶预相变温度的影响

1、| 维普资讯 h ttp:/第23卷第&期2007年6月Vol. 23 No. 6June,2007商丘师范学院学报JOURNAL OF SHANGQIU TEACHERS COLLEGE磁场对NiMnGa单晶预相变温度的影响崔玉亭(商丘师范学曲物理与信息工程系*河南商丘476000)摘要：列用应变謝量研完了外加恆定磁场对NiMnGa单晶预相吏湛圧的梅响，哎现外加磁场使预相轰溫度尙 低温方向海移.而且预相圭温座煤移的程度与外加磁场的方向衣关.孩据前人的撲型和我扪时电于显撷叢观秦，目 前的站呆证變预相变过租中存在较强的犍弹相蔓作用；皆幵加磁场分别沿黑怵的001和010两个蓍价的品抽方 向

2、时010方向上罕致的蛾弹相互作用更强一关键词】马氏体相直；预马氏体相变；蕩度；碱弹相互作用中團分类号:TF125.M文就标识码：A 文章编号：1672 - 3600(2007)0*5 -0052 -03Influence of the magnetic field on the premartensitic phasetransition temperature of NiMnGa single crystalsCUI Yu-ting(Departmenl nf Physics,ShAnqiu Teach亡ts Colley ,Shangiu 476000,China)Abstract ：Th

3、e influence of the exicmal magnetic field on the prcmsrtensitic phase Iransitiori temperature of NiMnGa single crystals is inveligated by (he strain measurements It is (bund thal the premartensitic phase transition lemper- ature shifts down (o lhe low lemperaiure when an external magietic is applied

4、 in measuring processed the magnitude of lhe lemptralure 8hift is dependence on the direction of the external mancLic field. According to a previous model and cur observalion of the TEM 舁he present results confirm that the magnetoehstic interaction exists strongly during the premartensitic Lransitia

5、nt and the magnitude of the tnagnetaelaslic interaction in the . 010 . direc lion is stronger than that in the 001 directionKey words: maflen&iti transformation ； pn?martensitic transition temperature ； nriagnetoelaslic interacdaTi0引言郝斯勒(HEird费)合金NiMnGa是同时具有铁磁性和热弾性马氏体相变的金属间化合物，由于该材料表 现岀相当强的铁磁性、磁

6、晶各向异性、温度诱发的双向形状记忆效应和较大的磁感生应变，近儿年来已成为 十分热门的新型功能材料研究对象U正配分比NhMnGa室温毎相为£2,立方结构，材料的居里温度在 376 K附近，降低温度，在202 K发生马氏怵相变，形成七仏二。94四方结构马氏休相,随后升髙温度，马氏体 相又可以通过逆相变转变成母相'两亍相变的热滞后大约10 K.如果适当改变材料的组分,在仍保持材料 的込晶依结构不变的情况下其马氏体相变温度他可在70 - 400 K的范围内变化除此之外， NiMnGa合金另一个引人注目的特点是对于某些近正配分比的材料在马氏体相变前出现先行效应，即发生 所谓的预马氏休相

7、变，由于预相变包含着深刻的物理机制，近年来倍受人们的关注I'U本文通过不同大 小、不同方向議场下预相变应变测量的结杲并结合电镜观察，分析了预相变产生的机制*逬而对磁场沿收稿日期；2007 - 03 -12墓金顼目価家自然科学基金(60572001)资助项H和河南省丹于教师培养对象(2005)资助项廿作者简介:崔玉亭门箔M-人男*山东单县人，商丘师范学院教授，韓上.主要从事特种金属功能材料的物性及相关问题的研究.第&期崔玉亭:磁场对NiMnG-单晶预相变温度的影响53001和010两个晶体学方向所导致的预相变温度漂移程度的差别等，进行了分析和讨论*1实验合金的原料是纯度为99.9

8、5%的Ni,血 和伽单质金属.所研究的单晶禅品的组分为N*川n“G畑, 该单晶利用MCG5-3设备,采用提拉送在高纯戴气中沿001方向生长：6其生长参数为:生长速率为出- 30 mm/ht籽晶杆转速为30 rpm.主怏后的单晶用电弧线切割方法切成侧面为| 100面的1 nmi英6 nnu x 6 mm的薄片样品用于应变测量，单晶的取向由X射线背反射“応法确定，以使四方薄片样品的两垂直四方 边分别平行于001和0W方向应变测暈采用标准形变电阻方法升、降温速率为L2 K/miii.预相变过程 中晶休的微结构采用电子显微镜（TEM）观察.2结果和讨论图1是降升温过程中、样品在自由狀态下（无外场八沿样

9、品的001 方向测就得到的应变随着温度变彳匕 的关系曲线*从实验曲线可以看出，在降温过程的伽= 123 K处，林料发生马氏体相变，继续冷却,样品在 001方向收黯,马氏休相变引起的形礎量达-6200 ppm（负号代表收编）一在随后的升温过程中，在 = 130 K发生马氏体逆相变'继续升温到 = 133也样品回复到马氏体相变前的情况，表现出近乎完全的双向形状 记忆效应马氏体相变的热滞后兮-起=10 K,特征了一个典型的一级柑变.号外，正如图中箭头所示 在降温过程的耳（=202 K）和升温过程的206 K,应变随温度的变化关系曲线上分别有一个类似"-形峰的 应变突变,分别对应着正

10、、逆预马氏体相变（预相变）预相变的热滞后尸爼斗匕表朝预相变也是一级相变. 图2插图给出了降、升温过程预相变点附近一段温度区闊的应变随着温度变化的关系曲线可以清楚地看出 自由（无外加载）预相变应变非常小，沿001方向的应变量约为- 160 ppm,仅为该材料马氏体相变应变的1/40.-7100150200250300温度打K0 1 2 3 4 5 6 一 一一 - uldcl.cw熾蛰温度"K图1 Wgg 单晶降、升温过程 中应变随温度变化的关系曲线Fig+ 1. Tempeniture dependence of straiji up coaling and up heating (

11、or Ni 叫* 厶心盘劭 single crysial其它近正配分比NisMnGa材料的弹性模區、磁化强 度刈、中子敬射测量【眄、交流磁化率【吨和X射线【凶表明预 马氏休相变是非常弱的一级相变，起源于软化的TA2横向声 子与磁子间的磁弹耦合.比较马氏体相变应变和预相变应变, 我们的实验结果从这一侧面也说明了 NiMnGo铁磁形状记忆 合金的预相变是非常弱的一级相变对Ni.MnC晶体进行的 Monte Carlo模拟指出如果这种磁弹耦合足够强相关到 瑠z软模的原子位移可械冻结从而形成新相Korkorin等人 的电子显微撓观察M发现,这种软模疑结的结果导致预 马氏休郴（从T,到朋）的晶格发生扭曲

12、，但晶体的立方对称 性保持不变由于对应 % 软模凝结的静态原子位移在宏观 上相对三个晶轴方向的等价性，通常难以观察到预马氏体相 变产生的应变.Korkorin等人曾报道在正配分比Ni.MnCa 单晶中观察到预马氏体相变导致的形变，但他们的样品被施 加了一个17.6 MPa的压应九在Nitt iMnM sCaB自由单晶样 品中之所以观察到预相变应变,我们认为这与单晶母相存在 的取向内应力有关实验表明提拉法生长单晶过程中因沿生 长方向的温度不同于与之垂直的方向定向凝固将在晶休内 引人一定大小的取向内应力阎，该取向内应力可诱导马氏休 变休沿生长方向择优取向，导致样品沿生长方向收缩（也见图1）.因此我

13、们有理由相信晶体内的这种取向 内应力，正如外加应力的作用一样，干预了软模凝结.导致对应Th,软模擬结的原子位移在某一晶体学方向 匕更易发生,或在某晶体学方向上这种原子位移遢相应较大，宏观上导致样品沿001方向收缩引起形 变+温度TV監图2：降温过程中不同磁场下（XH 方向的应娈随隘度变化的 关系曲线畀町：磁场沿1001方向江町：磁场沿况们方向Fig. 2 Temperature dependence of strain the 00】direction up cooling t图玄样品取向、应变测撮方向与外加磁场方向间的取向关系Fig. 3卩 Relative orientation of t

14、he sample t measunngdunection and. applied magnetic Held directionwith the magnetic field, applied along the |_001 (a)and 010 ( b) directionf respectively保持应变测董方向不变（即应变测量始终沿晶休的001）,研究不同大小、不同方向外加恒定磁场对预 相变特性的影响图2显示了儿亍预相变点附近、在降温过程中、测疑得到的不同磁场下预相变应变随温度 变化的曲线*其中图2（时所加外磁场沿晶体的001方向（即沿应变测量方向）图2（b）所加外磁场沿晶休 的0

15、10方向（与应变测量方向垂直图3给出了样品、应蛮测量和磁场取向之间的关系所有的测址过程 中，温度的变化都是从室温降温到力K,然后再升温到室温，以保持毎次测量时样品所经历的温度变化过程 一样从图2可以看出，外加磁场对预相变特性有较大的影响且影响的程度与外加磁场的方向有关沿 001方向施加磁场随着外加磁场的增大,预相变应变量的增大（样品沿001方向进一步收缩卄当外加磁 场沿010方向时，随着外加磁场的增大，预相变应蛮註逐渐减小（样品沿001方向膨胀无论厳场沿 001还是沿010方向，随着磁场的增大，预相变温度都降低图4给出了预相变温度Tp与外加磁场的关 系.其中曲线3）和（b）分别对应着外加磁场沿

16、001和010方向从图4可以看出，随着外加磁场的增大, 预相变温度降低的很明显；当外加磁场迖到一定值疳继续堆犬磁场，预相变温度降低的程度越来越小，趙于 饱和此外，从图4可以清楚地看出，顼相蛮温度降低的程度及其趋于饱和的饱和场与外加磁场的方向也有 关系+当磁场沿001方向时迅-H曲线（即图4曲线心）的饱和场约为2 5kOe；而磁场沿010方向时 （图4曲线（b）相应的饱和场却高为3.5kOe.在相同的磁场下（如3 kOe）.所加外磁场沿Ml 方向时预相 变温度从零场冷却下的202K下降到199K,约下降了 3K；而当外加磁场沿着0】D方向时"预相变温度相应 地下降了 4. 2 1C这种

17、不同方向魅场对预相变温度特性影响程度的不同，同样反映在预相变应变特性上从 图2也可看岀，沿晶体的0L0方向施加同样的外加磁场比沿001方向施加相同的磁场对预相变应变量的 影响更大些冽如，在3 kO亡的DID方向的磁场下，预相变应变量从零场下的-160 ppm变化到-50 ppmt 变化董約为HO ppm；而沿001方向施加同样大小的磁场，相应的变化量约为85 ppm.以上实验结果表明， 外场中预相变特性的变化不但与外加磁场的大小有关，而且与外加磁场的方向有关.从热力学的观点卜加磕场作为一个独立的变站，正如温度一样改变f NiMnGa合金系统的自由能"依 据師人的研究结果山，铁磁合金的

18、预马氏体相的自由能可以写为：（1） 这里Ft为弾性能、几,为磁能f诃为磁弹相互柞用能.通常，磁能可以简单地表示成：= K- MH（2）第&期窜禾亭:犠场对JNiMnGa凱晶预相確温度的影响这里，耐是晶体的磁化强度丹是外加磁场*K 是磁晶各向异性常数施加磁场，塞曼龍（就甘）的增加系 统的白由能将减小.由于外加磁场对预相变的作用类似 于水静压和外加应力，因此，外抽磁场将导致预相变温度 Tp升高.然而，依据朗道理论】预相变是声子和电子自 旋间磁弹性相互作用的结果，而磁弹相互作用能九工 因此，施加磁场在增加塞曼能的同时增加了磁弹相 互作用能,而磁弹相互件用的增加将导致预相变温度- 降低.目前的

19、实验显示外加磁场导致了预相变温度Tt,降 低，说明外磁场下蹇曼能和磁弹相互作用能竞争的结果 足磁弹相互作用能起着主导作用.202>0246810 12 14 1& 18fiftJSW/kQeI趙场沿【00“方向201 I锻场沿0KJ方向从晶体学的观点，单晶中的001方向和010方向 是完全等价的，因此沿这两个方向分别施加相同大小的 磁场,导致的预相变温度的漂移及预相变应变量的改变 是相同的然而图2的实验结果却并非如此，表明在晶体图4降温过釋中预相变温度随磁场空化的关察曲线一F1 励 4. Premartensitic transition temperature as a fun

20、c- lion of the mugnelic field原本等价的001和010方向间出现了各向异性为了进一步表征这种各向异性，我们在预相变过程中不同温度处利用TEM对材料的品体结构进行了观察图5是降温过程中、沿100带轴（如皿axi叮、在预相变 温度附近的220 K和63 K观察到的TEM图像前人【戊叫对NiMnCa晶休沿<100、方向的TEA1观寤结果表明，随着温度的降低，主衍射斑点周围的弥敞拖影（dise shaking）强度增强；当温度低于7；,这些弥散拖 影发展成对称圉绕主布拉格衍射斑点的卫星斑因此，他门建议在预相变温度Tp以上，晶体内存在着些随 机取向的应变坯芽（stmit

21、i embryo）；在Tp以下,材料形成了微调制的畴结构（即形咸了预马氏体相）.从我们 图予的实验结果可以看出，近主衍射斑点的弥散拖影也是随着温度的降低而逑渐增强的，但这些弥散拖影的强度在不同方向上差异理大.*011方向上弥散拖影可以非常明显地皴观察到，并随着温度的降低其强度 逐渐增强的;然而，在oil方向上弥散拖影很难被观察到+这表明在我们研究的吆单晶样品 中在预相变过程中，这些所谓的应变坯芽不是随机取向的，而是择优取向的其原因正如前述是提拉法生怪的单晶中的取向内应力导致了应变坯芽的择优取向.换言之即取向内应力干预了软模凝结，导致对应TA2软模凝结的原子位移在某一晶休学方向上更易发生显然.由

22、于这种应变坯芽的择优取向，必然导致样品沿某一晶体学方向收编或伸长，同时导致在原本等价的晶休学方向何产生各向异性.图5-降温过程申在220K(a)和160£(h)得到的电子衍射图像Fi申 5. Electmn difTraclicn patterns taken at 220K(a)and 160K( b) ( 001 : rone axisi)3结语和用应变测量研究了外加磁场对铁磁形状记忆合金预相变特性的影响.实验发现外加56商丘师范学院学报2007年磁场总是使预相变温度单调地向低温方向漂移,证实了预相变过程中存在着较强的磁弹相互作用实验也发 现对晶体的001和010两个等价的晶体学

23、方向当外加磁场沿010方向时，导致的预相变温度漂移迅 速，表明在晶体010方向上磁弹相互作用更强,也说明预相变在原本零价的晶体学方向间产生了各向异 性预相变过程中晶休内存在的这种各向异性进一步被TEM观察所验实结合前人的工作和我们的实验结 果，这种各向异性被归结为晶怵内存在的取向內应力导致的应变坯芽的择优取向.参琴文截：:1 Murray S Jt MsrionL M , Allen S M , ct ah 69fc magnclic - field - induced strain by Lwim - boundur1 motion in (eiromagnetic Ni -Mn-Ca J

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