Fe摻雜Mn-Cu系的恒模量和廣義類橡皮行為的研究.pdf

1、材料的異常性能總是會(huì)引起研究者的廣泛興趣，它們?cè)诟鱾€(gè)領(lǐng)域的特殊場(chǎng)合下都存在著潛在的應(yīng)用。恒模量和類橡皮行為是材料的兩種異常性能。100年前，Guillaume發(fā)現(xiàn)并研發(fā)了兩種性能不隨溫度改變的合金—恒膨脹Invar合金以及恒模量Elinvar合金，為此他于1920年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。Weiss建立了基于兩種磁性狀態(tài)共存的物理學(xué)框架來(lái)解釋Invar效應(yīng)。隨后基于第一性原理的計(jì)算揭示了磁性態(tài)與晶格常數(shù)及模量的關(guān)聯(lián)，但是至今對(duì)于模量反常的

2、物理圖像在介觀尺度內(nèi)仍然不清楚。本文的目的就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)與相場(chǎng)模擬來(lái)揭示模量反常的起因。類橡皮行為的機(jī)制主要是“對(duì)稱性適應(yīng)短程序”理論（SC-SRO），其主要適用于有序合金，但對(duì)于無(wú)序合金的解釋略顯牽強(qiáng)。為此，本文將對(duì)無(wú)序合金是否存在類橡皮行為和它的起因進(jìn)行相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬研究。兩種異常性能研究主要的結(jié)果描述如下：
　　1.對(duì)于三種Fe摻雜Mn-Cu合金進(jìn)行的動(dòng)態(tài)力學(xué)分析（DMA）顯示：低濃度摻雜合金（Mn80Fe15Cu5）與高濃度

3、摻雜合金（Mn60Fe35Cu5）在-150℃至150℃均呈現(xiàn)正常的模量溫度效應(yīng)，即隨溫度降低模量升高，其中前者為單一或主導(dǎo)的同軸（Collinear）反鐵磁結(jié)構(gòu)，后者為單一或主導(dǎo)的非同軸（Non-collinear）反鐵磁結(jié)構(gòu)；而介于中間的摻雜合金（Mn70Fe25Cu5）在0℃至200℃之間呈現(xiàn)寬溫區(qū)的反常模量溫度效應(yīng)，其為一定比例的同軸反鐵磁結(jié)構(gòu)與非同軸反鐵磁結(jié)構(gòu)的組合。針對(duì)后者的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬，提出了“動(dòng)態(tài)反鐵磁疇尺寸”效應(yīng)（D

4、AFDS），即高自旋同軸反鐵磁疇尺寸隨溫度上升（下降）而縮?。ㄔ龃螅鄳?yīng)的低自旋非同軸疇界隨溫度上升（下降）而增大（縮?。?，由于高自旋同軸反鐵磁結(jié)構(gòu)具有較低的模量，由此導(dǎo)致了反常和連續(xù)的模量-溫度效應(yīng)。在上述模擬的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了寬溫區(qū)模量反常的必要條件和充分條件：存在多種高自旋反鐵磁疇變體是模量反常的必要條件，由摻雜引入導(dǎo)致的低自旋（非同軸）反鐵磁疇界密度提高是模量反常的充分條件，由此很好地解釋了摻雜Mn-Cu合金中出現(xiàn)的模量正

5、常和反?，F(xiàn)象。該效應(yīng)首次在介觀尺度清晰顯示出高自旋疇長(zhǎng)大和收縮的演化伴隨模量反常的物理圖像。
　　2.通過(guò)相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬的Fe摻雜Mn-Cu合金模量隨溫度的變化，由此顯示出在單相奧氏體中無(wú)法得到寬溫度區(qū)的恒模量效應(yīng)，為此本文通過(guò)復(fù)合材料設(shè)計(jì)的思想，通過(guò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化熱處理工藝，得到了Mn70Fe25Cu5合金中β、γ相的兩相組織，由β相控制正常模量溫度效應(yīng)、而γ相控制反常模量溫度效應(yīng)，由此整體樣品在-150℃至150℃的溫度區(qū)間內(nèi)模量

6、隨溫度波動(dòng)在2％范圍內(nèi)，體現(xiàn)為300K寬溫區(qū)的Elinvar效應(yīng)，其遠(yuǎn)高于目前在Mn-Cu系及Mn-Fe-Cu系合金所報(bào)道的0℃-40℃的Elinvar效應(yīng)。
　　3.使用相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬研究了[100][110]和[111]三個(gè)不同方向加載下馬氏體變體重排的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，結(jié)果表明，[100]方向加載去孿生（detwinning）為兩個(gè)馬氏體變體所需的臨界應(yīng)力最小，[110]方向加載去孿生為一個(gè)馬氏體變體所需要的臨界應(yīng)力其次，而[11

7、1]方向加載為母相（類似于逆相變）所需的應(yīng)力最大。當(dāng)卸載時(shí)，三個(gè)方向的組織回到加載前自協(xié)調(diào)的三個(gè)馬氏體。[100]和[110]方向的卸載導(dǎo)致的偽彈性來(lái)自于馬氏體變體重排，這一機(jī)制不同于通常的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體正逆相變機(jī)制。模擬結(jié)果也顯示出不同方向應(yīng)力加載條件下組織演化特征以及細(xì)微的界面遷移過(guò)程，即為一個(gè)加載-卸載偽彈性循環(huán)中微觀組織所經(jīng)歷的演化路徑，提出了導(dǎo)致偽彈性的馬氏體變體重排機(jī)制，這一機(jī)制不同于通常的應(yīng)力誘發(fā)馬氏體正逆相變機(jī)制。