Ni-Mn-Ga纤维直径和晶粒尺寸对超弹性和形状记忆效应的影响

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随着智能微器件向微小化的发展,对小尺寸智能材料的要求越来越高。智能材料尺寸较小带来其特性的转变,这种尺寸效应形成规律和产生机理对其应用具有重要意义。本文研究了Ni-Mn-Ga纤维直径和晶粒尺寸对其超弹性和形状记忆效应的影响,分析了尺寸依赖性产生的原因。采用高真空磁控钨极电弧炉制备了名义成分为Ni50.3Mn26.9Ga22.8的铸锭。通过DSC、OM、XRD对铸态和热处理态的相变温度、金相组织、物相组成进行了分析。采用熔体抽拉法制备不同直径的纤维,通过不同工艺参数的尝试及对纤维SEM的分析,发现钼轮更适于制备不同直径纤维,当钼轮转速为1000rad/min和1200rad/min时,纤维制备量大,表面质量好。通过XRD分析选出一组相变温度在室温附近的NMG4F1纤维,并选出三组不同直径纤维。对纤维进行热处理工艺的摸索,利用SEM、EDS分析不同工艺参数下晶粒长大及成分变化情况,发现晶粒大小随时间变化符合B=Ctn规律,随温度变化符合D12|-D02|=K1·e-Qm/RT-1;成分变化趋势为:有序化热处理均匀成分,晶粒长大热处理时Mn元素有挥发趋势,当T≥1050℃时,Mn元素挥发剧烈。基于热处理工艺的研究选择1000℃不同时间对NMG4F1纤维进行晶粒长大热处理。通过SEM、EDS分析验证后选出一组不同晶粒尺寸少晶、竹节状晶纤维。通过对不同直径制备态纤维进行形状记忆效应与超弹性训练。结果发现,不同直径纤维的双程形状记忆效应尺寸效应规律:直径越小,相变温度对应力的敏感度(dT/dσ)、相变温度滞后(Δ T)越小;超弹性规律:直径越小,相变应力对温度的敏感度(d σ/d T)、相变应力滞后(Δσ)以及相变过程中能量耗散对温度的敏感度(d Δ E1%/dT)越大。分析马氏体相变过程发现,热传递和摩擦功耗散是尺寸依赖性产生的主要原因,其机理为:双程形状记忆训练中,直径越细,相变过程中的热传递速率越快,更易与外界及时进行热交换,从而使Δ T和dT/dσ越小;超弹性训练中,直径越细,纤维的比表面积越大,提供界面增值的缺陷越多,产生的摩擦功越多,从而使Δσ越大,由于摩擦功以热交换的形式进行能量耗散且细纤维热传递速率更快,故而d Δ E1%/dT、 d σ/dT越大。对于不同晶粒尺寸热处理纤维进行双程形状记忆效应和超弹性训练发现其Ms、 Δ T及dT/dσ随晶粒尺寸不同而变化,目前发现的规律为:少晶纤维晶粒尺寸越大,Ms越大,但至竹节状纤维又降低; dT/dσ也有此变化趋势。
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