反铁磁锰基合金的磁致伸缩效应及其机理研究

相比于铁磁性材料，反铁磁合金的功能性和其实际应用是一个尚未被人们充分认识和完全开发的领域。本项目针对反铁磁合金磁致伸缩效应的研究现状，制备高锰的反铁磁锰基合金，并通过热处理、热机械训练、制备单晶等多种方法，由多晶、训练织构及生长单晶等，在室温条件下，不断深入研究反铁磁合金的磁致伸缩性能和机理，建立易磁化轴反铁磁磁致伸缩效应的理论模型和及磁场、预应力与磁诱发应变的本构模型，探索反铁磁磁致伸缩效应的共性和本质规律。本课题的研究不但为反铁磁材料的实际应用提供理论基础，还可进一步拓宽磁致伸缩效应的研究领域，并开发出新一类的、在室温、低场下可实际使用的、无磁性的反铁磁磁致伸缩材料，获得具有重大影响的、原创性的和国际领先水平的高科技成果。

相比于铁磁性材料，反铁磁合金的功能性是一个尚未充分认识的领域。本项目通过热处理工艺、热机械训练及定向凝固等制备反铁磁MnCu基、MnFe基等合金，在室温、多晶条件下，研究了这些反铁磁合金的磁致伸缩效应、伪弹性及其机制。研究表明：Mn1-xCux(0.1≤x≤0.3)合金经过长时间固溶，在冷却过程中出现fcc（γ）→fct（γ’）马氏体相变，随着锰含量升高，磁诱发应变性能（MFIS）更好。随着时效时间延长，Mn70Cu30获得最大的MFIS；当时效时间超过12h，合金中会析出大量的α相，使得MFIS差。Fe元素部分取代Cu元素也会发生γ→γ’转变，在Mn80Cu18Fe2和Mn80Cu16Fe4合金中还会有α相和ε相析出。Fe含量的增大，合金反磁性转变温度(Neel点)升高，在室温下为反铁磁性；Mn80Cu16Fe4合金获得最大MFIS在0.9T时达到90ppm。Mn70Fe25Cu5、Mn80Fe15Cu5、Mn85Fe10Cu5合金固溶处理后，Mn70Fe25Cu5为单一γ相，Mn80Fe15Cu5、Mn85Fe10Cu5均为为(γ+γ’)两相结构。三合金室温为反铁磁体，Neel点随时效温度升高和时间延长逐渐下降但高于室温。Mn70Fe25Cu5合金随着时效温度的升高，析出了大量的α-Mn，阻碍磁畴壁移动，MFIS降低。固溶时效后Mn80Fe10Ni10得到的是(γ+γ’)双相组织。Mn70Fe20Ni10合金最大MFIS为42ppm。Mn80Fe10Ni10最大MFIS为65ppm。Mn85.5Fe9.5Cu5.0多晶经热机械处理后，MFIS大大增加。热机械压缩应变为-1.2%试样MFIS最好，有（200）面择优取向。低磁场下，Mn85.5Fe9.5Cu5.0合金定向凝固过程中产生（200）方向织构，可进一步提高合金平行于磁场和垂直于磁场的MFIS，在预应变为-200ppm时，平行于磁场和垂直于磁场的MFIS分别达-4255 ppm和1254 ppm。对MnFe基合金的伪弹性能的研究表明：室温下合金都有伪弹性，Mn51Fe49、 Mn78Fe17Cu5、Mn80Fe15Cu5的伪弹性随着载荷的增大而升高。Mn85Fe10Cu5试样当加载次数少时，伪弹性将随着加载次数的增加而升高；当加载次数继续增加时，合金的伪弹性下降。