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硕士生：张琨

导师：谭昌龙教授专业：物理学Ni-Mn-Sn-Gd磁性记忆合金的马氏体相变与力学性能及磁性质研究硕士学位论文答辩2016目录CONTENTS1选题背景、研究目的及意义2材料制备及试验方法3NiMnSnGd合金的微观组织与结构4NiMnSnGd合金磁性能5NiMnSnGd合金力学性能6结论第一部分形状记忆合金的发展磁性形状记忆合金磁驱相变机制的比较选题背景、研究目的及意义NiMnSn合金问题及解决办法研究目的及意义MSMA执行器A5MSMA执行器A06-3MSMA执行器A1-2000医疗骨骼紧固件TiNi合金心脏支架TiNi合金肠道支架题

形状记忆合金的发展形状记忆合金热驱形状记忆合金（TiNi基、Cu基、Fe基）回复应变大，输出应力大响应频率低磁驱形状记忆合金NiMnGa、FePd等基于马氏体孪晶变体重排输出应力和输出功低NiMnSn等基于磁驱动马氏体相变高频，输出应变和应力大磁场驱动马氏体孪晶变体重排磁场驱动马氏体相变两种磁驱相变机制的比较Zeeman能差=

驱动力Twinboundary△T≈(△M/△S)×△H相变温度外加磁场微观相变，宏观形变Ni-Mn-Sn合金由于其结构和磁性的耦合，该类合金的马氏体相变可由磁场驱动，磁驱马氏体相变过程中伴随着丰富的物理内涵和有趣的物理现象。NiMnSn传感器材料

巨磁电阻效应磁制冷材料

巨磁热效应NiMnSn磁性形状记忆合金磁驱动材料

大的磁感生应变信息存储材料

交换偏置现象

Ni-Mn-Sn合金的脆性大，在很大程度上限制了其实际应用和进一步发展。NiMnSn传感器材料

巨磁电阻效应磁制冷材料

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交换偏置现象存在的问题及解决办法存在的问题及解决办法

稀土元素包括元素周期表中的镧系元素和第三副族的钪、钇共17种元素，在钢铁及有色金属合金中已得到广泛应用。力学的改善特殊的磁性质CuZnAl、NiAl、FeMnSi及NiMnGa记忆合金中，稀土的添加用以细化晶粒和提高形状记忆能力，同时提高合金室温屈服强度和塑性。稀土具有未充满的4f电子层，这种特殊的结构使之具有较大的原子磁矩，磁各向异性能等磁学特性，对合金基体的磁性质可以起到保持作用。改善力学性能增强磁学特性首次提出通过掺杂稀土Gd元素的方法，来改善NiMnSn合金的力学性质，增强其韧性。并阐明了掺杂稀土Gd元素对合金基体的增韧原理。改善力学性能Gd元素本身具有较大的磁热效应，一直被用作优秀的磁致冷材料。本文首次系统研究了稀土Gd元素对NiMnSn合金基体磁性质的影响，并首次在NiMnSnGd合金中观察到磁驱相变。增强磁学特性论文的学术思想研究目的及意义通过掺杂稀土Gd元素，细化晶粒，解决合金脆性问题。利用Gd元素自身的特殊磁性，以期保持甚至增强合金基体的磁性能。研究目的为改善Ni-Mn-Sn磁性记忆合金的性能、拓宽其实际应用提供理论指导。研究意义第二部分合金的成分设计合金的制备试验材料及方法合金的热处理合金的试验方法Ni50Mn36Sn14-xGdx

(x=0,0.1,0.2,0.5,1,2at.%)合金成分设计采用真空电弧熔炼技术合金的制备1073K保温24小时以实现成分的均匀化，并淬入水中合金的热处理设计制备处理试验材料的准备BDCA相变温度力学性能磁性能显微组织结构物性测量系统PPMS（M-T）万能力学试验机扫描电镜（SEM）物性测量系统PPMS光学显微镜（OM）扫描电镜(SEM)X射线衍射分析仪（XRD）试验测试试验测试及方法第三部分NiMnSnGd合金的显微组织NiMnSnGd合金的显微结构与相组成NiMnSnGd合金的显微组织与结构Ni-Mn-Sn-Gd合金的显微组织

Ni50Mn36Sn14-xGdx(x＝0,0.2,1,2at.%)合金的光学显微组织a)x=0;b)x=0.2;c)x=1;d)x=2a)c)b)d)合金成分晶粒尺寸（μm）Ni50Mn36Sn14

120Ni50Mn36Sn13.8Gd0.270Ni50Mn36Sn13Gd130Ni50Mn36Sn12Gd215Ni-Mn-Sn-Gd合金的显微组织

Ni50Mn36Sn14-xGdx合金的背散射电子像a)x=0;b)x=0.1;c)x=0.2;d)x=0.5;e)x=1;f)x=2a)b)c)d)e)f)NiMnSnGd合金的微观结构PhasexNiMnSnGdMatrix050.2336.2513.5200.149.7736.6113.510.110.249.7837.2813.730.210.548.6937.4712.630.21147.8938.5511.830.22247.3240.8311.620.23SecondPhase0.250.1835.9713.630.42

0.552.1721.5613.5512.73

150.2123.7613.0013.04

250.4523.8913.5913.09

Ni50Mn36Sn14-xGdx合金的能谱结果Ni50Mn36Sn14和Ni50Mn36Sn12Gd2合金在室温下的X射线衍射谱Gd含量增加，合金基体中Ni和Sn含量略有降低，Mn含量升高。第二相中Gd元素富集。晶体结构为简单六方体结构。NiMnSnGd合金的相组成Ni50Mn36Sn14-xGdx合金的晶格常数和马氏体类型Ni50Mn36Sn14-xGdx合金在室温下的X射线衍射谱Compositiona(nm)b(nm)c(nm)CrystalphaseNi50Mn36Sn140.59770.59770.55775MNi50Mn36Sn13.9Gd0.10.59920.59920.55925MNi50Mn36Sn13.8Gd0.20.61650.58000.55165MNi50Mn36Sn13.5Gd0.50.62220.58430.55107MNi50Mn36Sn13Gd10.62670.58440.54747MNi50Mn36Sn12Gd20.76260.76260.67297MGd含量的不同合金马氏体的晶体结构也随着发生改变。第四部分NiMnSnGd合金的磁化特征NiMnSnGd合金的马氏体相变NiMnSnGd合金的磁性能NiMnSnGd合金的磁学特性NiMnSnGd合金的磁化特征

Ni50Mn36Sn13Gd1合金在不同温度下的磁化曲线磁性材料是Ni-Mn-Sn-Gd合金产生磁驱应变的基本前提。合金的这种磁化过程充分体现了铁磁材料的磁化过程中：畤壁移动在先，磁矩转动在后的磁化特征。Ni50Mn36Sn14-xGdx合金在50Oe磁场下磁化强度（M）随温度（T）变化关系曲线NiMnSnGd合金的马氏体相变随着稀土含量的增加，马氏体相变温度升高，居里温度没有明显变化。NiMnSnGd合金的磁学特性Ni50Mn36Sn14合金在0.01T和6T磁场下磁化强度（M）随温度（T）变化关系曲线NiMnSnGd合金的磁学特性Ni50Mn36Sn13.5Gd0.5合金在0.01T和6T磁场下磁化强度（M）随温度（T）变化关系曲线NiMnSnGd合金的磁学特性样品在FC和ZFC情况下,M随T变化的关系曲线在低温状态下，FC和ZFC曲线出现劈裂，说明在场冷状态下,铁磁磁畴被反铁磁磁畴钉扎在某一特定方向。这种钉扎效应使得在相变过程中观察到了交换偏置行为。随着Gd含量的增加，反铁磁交换作用在结构相变过程中得到增强。第五部分NiMnSnGd合金的压缩变形行为断口形貌分析

NiMnSnGd合金的力学性能NiMnSnGd合金的压缩变形行为Ni50Mn36Sn14-xGdx合金室温压缩应力-应变曲线Ni50Mn36Sn14-xGdx合金压缩试样NiMnSnGd合金的压缩变形行为合金压缩强度合金的压缩应变断口形貌分析AAAAGd0Gd0.5Gd1Gd2Gd0Gd1★稀土掺杂使Ni-Mn-Sn合金塑性显著提高，其原因在于晶粒被细化、断裂方式从沿晶断裂转变为穿晶断裂。在Gd掺杂Ni-Mn-Sn合金中获得了迄今为止最高的压缩断裂强706MPa。第六部分结论010203Gd的掺杂使合金晶粒得到细化，且Gd含量越高，细化效果越明显。

Ni50Mn36Sn14-xGdx合金由基体和第二相组成。Ni50Mn36Sn14-xGdx合金的显微组织由基体和六方结构的Gd(Ni,Mn)4Sn相组成。Gd含量在0.1at.%时，第二相呈球状弥散分布；随着Gd含量的增加，第二相的体积分数逐渐增加，并倾向于沿晶界分布。当Gd含量达到2at.%时，沿晶界分布的第二相相互连接在一起，形成网状结构，并且在局部区域出现共晶组织形貌。Ni50Mn36Sn14-xGdx由试验结果表明是磁性材料，居里温度没有明显变化。合金在冷却和加热过程中均发生一步热弹性马氏体相变和逆相变。Gd含量的增加，相变温度有所提高。Gd元素的添加，保持了Ni50Mn36Sn合金的磁特性。结论040506

在合金中适量添加Gd元素可以显著改善Ni50Mn36Sn14合金的脆性问题。随着稀土含量的增加，压缩断裂强度显著升高，当稀土含量为2at.%时，压缩断裂强度达到706MPa。压缩应变也随着Gd含量的增加而升高，在稀土含量为2at.%时达到9%。

晶粒细化是合金强度和塑性提高的主要原因。富稀土第二相的数量和分布也很大程度上影响了合金的强度和塑性。少量第二相沿晶界不连续分布时，对位错的移动和裂纹的扩展起到了阻碍作用。

稀土的添加改变了NiMnSn合金的断裂类型。NiMnSn合金的断裂方式为沿晶断裂，脆性大；随着稀土含量的增加，合金逐渐转变成以穿晶解理断裂为主，断口出现较多的韧性撕裂棱，塑性增加。学术论文成果Tan.CL,Zhang.K,Tian.XH,Cai.W.MagneticandmechanicalpropertiesofNi–Mn–Ga/Fe–Gaferromagneticshapememorycomposite.Chin.Phys.B，Volume24,No.5057502；（SCI）1Tan.CL,Xu.DS,Zhang.K,Tian.XH,Cai.W.ElectronicandMagneticPropertiesofRare-EarthMetalsDopedZnOMonolayer.Jou