MnFeCu反铁磁高温记忆合金中马氏体相变及其逆相变的相场模拟和实验研究

MnFeCu反铁磁合金是一种新型的窄滞后高温形状记忆材料，探究其反铁磁转变与马氏体相变的耦合及其对热滞和微观组织演化的影响，对设计和开发更窄滞后（或无滞后）的高温形状记忆合金，具有重要的理论意义。本项目将采用相场模拟与实验研究相结合的方法，基于相图设计不同Fe、Cu含量的Mn基形状记忆合金。针对MnFeCu合金中的马氏体相变及其逆相变，将界面能量描述为结构与温度的函数，建立定量Ginzburg-Landau理论模型和可连续变温的相场模拟方法，在这基础上进一步建立多物理场（温度场、应力场和磁场）下的相场模型，从相场模拟和实验两方面重点研究不同热滞下预相变、马氏体相变、反铁磁相变的变化规律以及它们之间的耦合对马氏体组织演变的影响，关注外场对热滞和马氏体相变的影响规律，建立马氏体相变形态学的基本理论。上述的研究将不仅为设计和开发新型高温形状记忆合金提供理论指导，而且将拓展和丰富马氏体相变理论。

MnFeCu反铁磁合金是一种新型的窄滞后高温形状记忆材料，探究其反铁磁转变与马氏体相变的耦合及其对热滞和微观组织演化的影响，对设计和开发新型高温形状记忆合金，具有重要的理论意义。本项目利用原位AFM和原位XRD研究了MnFeCu合金在升降温过程中与fcc-fct马氏体相变及其逆相变相关的表面起伏特征，从纳米尺度分析了表面浮突产生的物理机制；实验测得fcc-fct马氏体相变的浮突角均较小（<3度）；表面浮突具有极好的可逆性，这是马氏体相变晶体学可逆性决定的，表明该合金具有优良的表面形貌记忆效应。基于DMA实验结果，发现MnFeCu合金中的模量反常变化可以通过马氏体相变和反铁磁相变来进行调制。当这两类耦合较弱时，模量反常的温度范围可以达到200K，并建立相应的模型对其调控规律进行了分析与验证。这两类相变的强耦合作用使得马氏体相变的热滞极其小(2K)，同时使得这种合金具有窄滞后的双程记忆效应。通过适当的热处理，MnFeCu合金可以在较宽的温度范围内具有恒弹性。利用VSM研究了顺磁-反铁磁相变的磁热滞，发现升降温速率和磁场均可增加磁热滞，并得到相应的磁相图。 利用亚规则溶液模型和相变热力学平衡条件，提出一种求解合金元素热力学参数的计算方法；利用这种方法计算得到Mn基二元合金的fcc-fct相变驱动力与温度、合金成分的相互关系以及相变熵、相变焓与相变比热；从热力学的角度对马氏体相变和反铁磁相变的级别进行了定量的分析与讨论。利用微元形变近似法，计算得到MnFeCu合金中fcc-fct马氏体相变晶体学，计算结果与表象理论非常近似，而前者更简单，并能给出解析解。建立了非等温相场模型，实现了相变过程中温度场、组织场、应力场的统一；利用此模型对热诱发马氏体相变的热效应以及应力诱发马氏体相变中的弹热效应进行了研究；系统研究了各种外加力场下马氏体变体相互转化的微观机制及演化路径，计算得到的孪晶化临界应力具有方向性；从变体重排的角度研究了马氏体合金中的橡皮条行为；模拟了相变过程中界面应力状态的变化，发现马氏体孪晶界面的应力要大于马氏体/奥氏体的界面应力；同一界面上的应力分布并不均匀，也不完全相同，在有台阶的地方会出现应力的集中；研究发现马氏体形态具有尺寸效应，多晶与单晶中的马氏体形态也会有较大的差异。这些研究将为设计和开发新型高温形状记忆合金提供了理论指导，并拓展和丰富了马氏体相变理论。