Nisub44_subMnsub45_subSnsub10.5_subAlsub0.5_sub合金的中间马氏体相变研究.pdf

Advances in Condensed Matter Physics 凝聚态物理学进展凝聚态物理学进展,2023,12(3),65-71 Published Online August 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/cmp https:/doi.org/10.12677/cmp.2023.123008 文章引用文章引用:余楚豪,王瑞龙.Ni44Mn45Sn10.5Al0.5合金的中间马氏体相变研究J.凝聚态物理学进展,2023,12(3):65-71.DOI:10.12677/cmp.2023.123008 Ni44Mn45Sn10.5Al0.5合金的中间马氏体相变研究合金的中间马氏体相变研究 余楚豪，王瑞龙余楚豪，王瑞龙*湖北大学，物理学院，湖北 武汉 收稿日期：2023年5月6日；录用日期：2023年8月9日；发布日期：2023年8月16日 摘摘 要要 利用电弧熔炼的方法制备了利用电弧熔炼的方法制备了Al掺杂的掺杂的Ni44Mn45Sn10.5Al0.5哈斯勒合金样品。磁性测量结果表明，随温度降哈斯勒合金样品。磁性测量结果表明，随温度降低样品表现出奥氏体低样品表现出奥氏体A至马氏体至马氏体M1、马氏体、马氏体M1至马氏体至马氏体M2的分步磁相变；随着外加磁场的升高，奥氏体的分步磁相变；随着外加磁场的升高，奥氏体相的磁矩逐渐增大，在高磁场下，依然表现为分步磁相变，说明该合金样品的中间马氏体相变非常稳定。相的磁矩逐渐增大，在高磁场下，依然表现为分步磁相变，说明该合金样品的中间马氏体相变非常稳定。在在50 kOe的外加磁场下，整个相变过程中产生的最大磁熵变为的外加磁场下，整个相变过程中产生的最大磁熵变为9.66 Jkg1K1，表明该合金样品具有一，表明该合金样品具有一定的磁制冷能力。以上结果对我们深入认识定的磁制冷能力。以上结果对我们深入认识Ni-Mn-Sn合金的磁热效应以及中间马氏体相变的过程提供了合金的磁热效应以及中间马氏体相变的过程提供了良好基础。良好基础。关键词关键词 哈斯勒合金，马氏体相变，中间马氏体相变，磁热效应哈斯勒合金，马氏体相变，中间马氏体相变，磁热效应 Intermartensitic Transformation of Ni44Mn45Sn10.5Al0.5 Alloy Chuhao Yu,Ruilong Wang*School of Physics,Hubei University,Wuhan Hubei Received:May 6th,2023;accepted:Aug.9th,2023;published:Aug.16th,2023 Abstract The Al-doped Ni44Mn45Sn10.5Al0.5 Hassler alloy samples were prepared by arc melting method.The magnetic measurement results show that the samples exhibit a stepwise magnetic transformation from austenite A to martensite M1,and from martensite M1 to martensite M2 with decreasing tem-perature;With the increase of the magnetic field,the magnetic moment of the austenite phase gradually increases.Under the high magnetic field,it still shows a stepwise magnetic transforma-*通讯作者。余楚豪，王瑞龙 DOI:10.12677/cmp.2023.123008 66 凝聚态物理学进展 tion,indicating that the intermartensite transformation of the alloy sample is very stable.Under the magnetic field of 50 kOe,the maximum magnetic entropy generated during the whole phase transformation process is 9.66 Jkg1K1,indicating that the alloy sample has a certain magnetic refrigeration ability.The above results provide a good basis for us to deeply understand the mag-netocaloric effect of Ni-Mn-Sn alloy and the process of intermartensite transformation.Keywords Heusler Alloys,Martensitic Transformation,Intermartensitic Transformation,Magnetothermal Effect Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 Heusler 合金是一类重要的铁磁形状记忆合金，其在发生马氏体相变时会伴随多种功能效应，如磁电阻效应1，磁热效应2，形状记忆效应3 4，压阻效应5，压卡效应6，电卡效应7以及弹卡效应8等。因此，这些合金在快速运行的驱动器、传感器、信息存储、热磁电转换和磁性制冷剂方面具有巨大的应用潜力9。在不同的元素配比下，有些合金的马氏体相变会分成两步进行，即合金在发生从奥氏体结构 A 转变为一种马氏体结构 M1的马氏体相变之后，随着温度继续降低，还可从这一种马氏体结构 M1再转变为另一种马氏体结构 M2。像这种由一种马氏体结构 M1转变为另一种马氏体结构 M2的过程，称之为中间马氏体相变。中间马氏体相变自从在 Ni-Mn-Ga 合金中被报道出来后10 11 12，Heusler 合金的中间马氏体相变一直是研究热点。随后，Wang 等人13在 Ni52Mn24.5Ga23.5合金中发现的的中间马氏体相变是一个呈现热弹性，而且该中间马氏体相变提供了比马氏体相变大得多的应变，在 0.2 T 的小磁场作用下，便获得了 5.0%的形状记忆效应。最近，Li 等人14在 Ni55Mn19Ga25Ti1多晶合金中观察两步马氏体相变，同时还发现了其具有大弹热效应，磁熵变增加到 29.6 Jkg1K1，在 180 MPa 的应力作用下，该合金的绝热温度变化为12.9 K，大大优于先前研究的 Ni-Mn-Ga 合金。鉴于 Ni-Mn-Ga 合金比较脆，难以机械加工，研究人员相继在无 Ga 的 Heusler 合金中也能观察到分步马氏体相变，如 NiMnAl 合金15 16和 NiMnInSb合金17等。其中，Ni-Mn-Sn 合金因其组合元素成本低、无毒、脆性小等优点，在磁性制冷、驱动和自旋电子器件中更受青睐。Dong 等人18在 Ni50 xMn36Sn14Tx(T=Pd,Pt)合金中掺杂 Pd(Pt)，诱发了在Ni50Mn36Sn14合金的中间马氏体相变，并发现中间马氏体相变随外加磁场的增加而被逐渐抑制直到消失，也会随着 Pd(Pt)含量的进一步增加而消失。Zhang 等人19发现在 Ni46.8Mn38.1Sn11.6Fe3.5马氏体逆相变过程中，中间马氏体相变有助于合金磁化强度和电阻率的多次突变，并在 275 K、279 K 和 285 K 的温度下，观察到三个连续的磁熵变 Sm峰值，分别为 10.7 Jkg1K1、14.5 Jkg1K1和 9.7 Jkg1K1，三个磁熵变峰值的出现让工作温度范围增大。中间马氏体相变的存在扩展了人们对马氏体相变机制的研究范围，同时也说明马氏体可能存在亚稳态。从应用的角度来看，两步马氏体相变所伴随的各种物理效应也为哈斯勒合金在某些特定领域的应用提供了一种可能性。为了更进一步研究中间马氏体相变，我们制备了 Ni44Mn45Sn10.5Al0.5合金进行相关研究。Open AccessOpen Access余楚豪，王瑞龙 DOI:10.12677/cmp.2023.123008 67 凝聚态物理学进展 2.试验方法试验方法 本文的实验样品是使用德国 Edmund Bhler 公司生产的 MAM-1 迷你型电弧炉制备。将 Ni(99.98%)、Mn(99.95%)、Sn(99.95%)、Al(99.9%)等样品原料进行去氧化处理再称取相应质量并放置在坩埚中。另外说明，由于 Mn 相对其它金属原料沸点低，在熔炼过程中 Mn 很容易挥发导致迸溅和质量损失，为了减小该情况所导致的实验误差，我们决定不直接使用 Mn 进行熔炼，而是选用 Ni-Mn 合金，Ni-Mn 合金的物理性质较为稳定且不宜挥发。该 Ni-Mn 合金由高纯度的 Ni 和 Mn 熔炼而成，根据实验经验得，Ni和 Mn 质量约分别控制在 15%和 85%时，实验效果最佳。随后检查熔炼炉气密性并充入氩气开始洗气，重复 35 次。样品需要反复熔化五至六次以确保其均匀性，然后将熔炼所得的纽扣状样品封入石英管中并真空处理，在马弗炉中进行热处理，在 1173 K 保温 24 小时后，放入冰水中进行淬火。将所制得的样品切割成测试所需的尺寸，然后使用综合物性测量系统(PPMS DynaCool)进行直流磁化强度 M-T 曲线、电阻 R-T 曲线、等温磁化曲线的测量；利用差示扫描量热仪对合金样品进行了热分析。利用 Maxwell 方程和等温磁化曲线计算并绘制出合金在马氏体相变温度附近的磁熵变曲线。3.结果与讨论结果与讨论 3.1.DSC 结果分析结果分析 图 1 是 Ni44Mn45Sn10.5Al0.5合金样品的 DSC 曲线图。通常，Ni-Mn-X 哈斯勒合金相变时各特征温度按如下规定：马氏体居里温度MCT，马氏体相变起始温度 Ms，马氏体相变结束温度 Mf，中间马氏体相变温度 TI，奥氏体居里温度ACT，马氏体逆相变起始温度记为 As，马氏体逆相变结束温度 Af，中间马氏体逆相变温度IT。对于 DSC 曲线，由基线与峰线的交点可以确定各特征温度分别为：Ms=251 K、Mf=228 K、As=241 K、Af=263 K、TI=240 K、IT=252 K。我们可以观察到，升温和降温曲线出现了两个明显的峰值(图中箭头所指)，两峰值出现体现了马氏体相变和中间马氏体相变的过程。以 DSC 降温曲线为例，当温度下降至 Ms至 TI温度区间，合金样品开始发生马氏体相变，从高对称度的 L21型奥氏体相开始逐渐转变为低对称度的中间马氏体相，DSC 曲线出现第一个峰值，温度继续下降至 TI至 Mf温度区间，合金样品开始发生中间马氏体相变，从中间马氏体相开始逐渐转变为马氏体相，DSC 曲线出现第二个峰值，当温度低于 Mf时，合金样品已经由高对称度 L21型奥氏体相基本完全转变成低对称度的马氏体相，不再出现放热的现象。Figure 1.DSC curves for Ni44Mn45Sn10.5Al0.5 alloy 图图 1.Ni44Mn45Sn10.5Al0.5合金的 DSC 曲线 余楚豪，王瑞龙 DOI:10.12677/cmp.2023.123008 68 凝聚态物理学进展 3.2.电输运结果分析电输运结果