Heusler合金FeMnGa的多相性物理机制和冷变形加工研究

FeMnGa alloys have be selected as the research subject in this proposal, because Heusler type magnetic structure transition materials have more and more attractiveness in the field of magnetic functional materials. It is mainly due to the FeMnGa alloys have two special properties, the volume expansion martensitic transformation and the consistent endothermic and exothermic effect during magnetic and lattice entropic change, which is of benefits to manufacture the sensor devices, actuator devices and magneto/elastorefrigeration. In the preparing work, we have found some interesting characters in FeMnGa alloys: the magnetic isomerism, the phase transition induced by shear-stress, the threshold reversal between braking and plastic deformation, and the apparent Yang Taylor effect. Based on the previous reports on this material, the diversity of crystalline and magnetic structures can be concluded. Deeply understanding the relative physical mechanism will help us to have great improvement of properties for the practical applications. We present two scientific ideas, strain-glass and competition between covalence and magnetism as the main viewpoints to direct the research in the proposal. We believe two objectives can be attained based on the research activities, revealing the fundamental rule of structural and magnetic transition and a development of cold deformation processing. It will greatly promote this material to be applied in the various usages.

与其他Huesler型磁相变材料相比， FeMnGa合金具有膨胀型马氏体相变和磁熵变-晶格熵变吸放热一致的特点，具有更广泛和高效的实际应用。我们在前期工作中，发现了这个材料的一些新性质：同质异构磁性、剪切应力诱发多种相变、断裂和诱发相变的应力临界值反转、突出的杨泰勒效应，以及借助相变实现可冷变形加工的可能性。本项目基于这些新的发现开展更深入的研究，对进一步认识相关的科学规律，寻找新型材料，改善材料实用特性，实现器件制备具有较大的意义。项目中将以应变玻璃和磁性与共价键竞争两个思路作为开展研究的思路，围绕相变和磁性制备各种类型的样品，测量各种基本物性和应用参数。基础研究方面将实现揭示现象背后的物理机制，弄清FeMnGa合金多相性和相转变的基本规律的目标。在实际应用方面，基于FeMnGa合金应力诱发高塑性面心立方相的特性，研究相转变变形加工对材料特性的影响，开发出适于实际应用的冷变形加工新工艺。

本项目以Fe2MnGa为出发点，研究FeMnGa三元合金体系的成相、相稳定性、多相性以及相转变问题，表征材料的各项物理性能，结合理论模拟分析材料的晶体结构、磁结构以及二者的相互关联性，从原子间相互作用的角度讨论材料各方面性质的内在物理机制，摸索制备工艺对合金成相、相变的影响，开发加工性能与物理性能可兼顾的FeMnGa合金。本项目通过电弧炉熔炼、真空退火、快淬甩带、高能球磨及冷轧加工等处理方式，获得大量FeMnGa体系合金，并采用强磁性、无磁性、重金属、稀土元素等对Fe2MnGa进行掺杂。总结出具有多相性特征的FeMnGa体系合金成相随成分、热处理、磁场等变化规律，研究了加工工艺与合金成相之间的关系，给出了通过应力诱发高韧性结构相以获得具有优化加工性能的合金这一思路。在成相规律的基础上，根据磁性测量与理论计算相互印证，推断出FeMnGa体系的多相性源于各结构相之间的能量势垒较低，温度、外应力、磁场甚至材料内部磁性耦合方式的变化都会跨越势垒造成结构转变；发现热处理带来的宏观磁性的巨大差异源于原子有序对磁性相互作用的决定性影响；总结出通过磁性测量判断微观晶格畸变的方法，这一方法可应用于筛选可能发生结构相变的材料；观测到明显的交换偏置现象，并对其来源及影响因素进行了分析；此外，还研究了Fe2MnGa磁性相变、偏分样品的马氏体结构相变等相关内容。本项目工作为研究FeMnGa三元合金体系奠定了坚实的工作基础，验证了磁性与共价竞争这一理论预判，为分析该体系及其他Heusler合金材料的微观作用、结构相变等提供了重要参考，发现了具有磁性马氏体相变特征的材料并归纳出通过磁性寻找相变合金的方法。同时给出了改善材料实用特性的加工工艺。项目资助已发表（接收）SCI论文4篇，审稿中2篇，依托项目培养研究生3名。