B元素對Ni-Fe-Ga-Co磁致形狀記憶合金相變及力學性能的影響

張清華(山西工程技術學院，山西 陽泉 045000)

0 引言

Ni-Fe-Ga合金是近年來發展起來的一種新型磁致形狀記憶合金[1-3]，該合金具有良好的相變穩定性、良好的形狀記憶功能[4]以及磁致應變大[5]等優點。有希望替代Ni-Mn-Ga形狀記憶合金作為傳感和驅動應用在航空航天和其他領域[6]。馬氏體相變(MT)溫度對成分的依賴性在Ni-Mn-Ga和Ni-Fe-Ga合金體系中進行了廣泛研究；結果表明，相變溫度隨著Ni含量的增加而升高[7-9]。通常，鐵磁形狀記憶合金的相變溫度可以通過熱處理[10-11]或添加一些微量元素[12-17]來改變。后一種方法已被證明可以有效的改變馬氏體溫度以及其他性能，如力學性能。Aydogdu等[18]發現添加微量元素B可以使得Ni-Mn-Ga合金體系相變溫度顯著降低并有第二相生產。研究發現[19]添加微量元素B可以使得Ti-Pd-Ni合金體系的塑性和抗拉強度得到提高。本文選取化學成分為Ni46-xFe18Ga27Co9Bx(at.%，x=0，0.1，0.5)一系列合金，通過在Ni-Fe-Ga-Co合金體系中摻雜微量元素B，研究了B元素對顯微組織、相變溫度以及力學性能的影響規律。

1 實驗材料及方法

通過真空電弧熔煉及吸鑄的方法制備了3組成分不同的NiFeGaCoB合金，其成分分別為Ni46Fe18Ga27Co9B0、Ni45.9Fe18Ga27Co9B0.1、和Ni45.5Fe18Ga27Co9B0.5，為了方便起見，本文此后將根據合金B的含量將各合金分別標記為B0，B0.1和B0.5。分別利用金相顯微鏡、綜合熱分析儀和萬能試驗機對合金的顯微組織、相變溫度和力學性能進行了研究分析。

2 實驗結果與討論

B0，B0.1和B0.5等三個成分合金在室溫下的顯微組織如圖1所示，從圖中可以看到三個成分合金在室溫下都為奧氏體相，沒有出現馬氏體組織，表明三個成分合金的馬氏體轉變溫度都在室溫以下。B元素含量的改變對晶粒大小影響不大，但在B0.5的合金中出現了析出物，從圖1(c)中可以明顯看出在基體上彌散分布有析出相。

圖1 三種在室溫下的光學顯微組織組織

利用綜合熱分析儀對B0，B0.1和B0.5等三個合金進行DSC測試，以分析B元素對相變溫度的影響。B0、B0.1和B0.5等三個合金成分的DSC曲線如圖2所示，冷卻和加熱時掃描速率都為10 ℃/min，結果表明在加熱和冷卻過程中只有一個吸熱峰和一個放熱峰，這表明添加微量元素B的Ni46-xFe18Ga27Co9Bx(at.%，x=0.1，0.5)五元合金體系與未添加B的Ni46Fe18Ga27Co9四元合金體系一樣都發生了一步相變，沒有發生中間馬氏體相變。從DSC曲線中推導出的B0、B0.1和B0.5等三個合金成分的相變溫度都列于表1中。結果表明相變溫度隨著B含量的增加而顯著降低。

圖2 加熱和冷卻中B0、B0.1和B0.5合金DSC結果

表1 B0、B0.1和B0.5合金的相變溫度和價電子濃度

據報道在Ni-Mn-Ga[20]和Ni-Fe-Ga[21]合金體系中電子濃度的變化會顯著影響馬氏體的相變溫度。Ni46-xFe18Ga27Co9Bx(at.%，x=0.1，0.5)合金體系中c/a值隨著B含量的變化從6.85下降到了6.82，如表1所示。不同B含量合金的相變溫度與電子濃度c/a的關系如圖3所示，趨勢表明相變溫度隨c/a的增加而升高。因此，原則上，在Ni-Fe-Ga三元合金體系中的馬氏體相變溫度與價電子濃度的關系，也可應用在有限成分內的Ni46-xFe18Ga27Co9Bx合金。

圖3 B0、B0.1和B0.5合金價電子濃度對相變溫度的影響

通過室溫壓縮實驗研究了微量B元素的添加對Ni-Fe-Ga-Co合金力學性能的影響。B0、B0.1和B0.5合金壓縮應力-應變曲線如圖4所示，曲線表明添加B元素后合金的彈性模量增大。通過該實驗測得的合金強度和延伸率(如表2所示)，結果表明含B合金的強度和塑性要遠遠高于不含B的合金。對于B0.5合金，其屈服強度和抗壓強度分別為465.4 MPa和1 286.3 MPa，是不含B合金的兩倍多。此外，由于B元素的添加，合金的塑性也得到了改善，其延伸率從6.6%增加到了13.4%。這表明B元素的添加顯著增強了合金的強度和塑性。合金抗壓強度的提高可能是沉淀相(未知相)的形成，以及一些雜質元素隨著B元素添加而減少導致的。

圖4 B0、B0.1和B0.5合金在室溫下的壓縮應力-應變曲線

表2 B0、B0.1和B0.5合金的力學性能

3 結語

在Ni46-xFe18Ga27Co9Bx(at.%，x=0，0.1，0.5)合金中添加B元素，各成分合金在室溫下都為奧氏體相，隨著B含量的增加會有彌散相析出；隨著所添加微量元素B含量的增加合金的相變溫度顯著降低，所有成分的合金都表現為一步相變；B元素的添加顯著提高了合金的強度和塑性，B0.5的屈服和抗拉強度都為B0的兩倍多，其延伸率也從6.6%增加到了13.4%。