微量稀土元素掺杂引起Fe-Ga合金大磁致伸缩性能的研究进展
发布时间：2021-10-21 11:28
磁致伸缩材料是一类新型智能材料,在机器人、传感器和位移控制器等领域有重要的应用价值。与传统磁致伸缩材料和已商业化巨磁致伸缩材料相比,新型Fe-Ga磁致伸缩材料具有更易实用化的优良特性和应用前景,例如低磁场下应变高、力学性能好、对温度的依赖性低、价格低廉等,因而Fe-Ga合金成为凝聚态物理和材料科学领域的研究热点。早期关于Fe-Ga合金的研究主要集中在单晶Fe-Ga合金,但其制备工艺复杂、成本高,难以广泛应用。为拓宽Fe-Ga合金的应用范围,人们开始关注多晶Fe-Ga合金。然而,采用常规熔炼法制备的多晶Fe-Ga合金磁致伸缩系数很低,限制了其实际应用。因此,提高多晶Fe-Ga合金的磁致伸缩性能成为该类合金能广泛应用的关键。合金结构决定合金性能,合金结构又与合金成分和制备工艺密切相关。为提高多晶Fe-Ga合金磁致伸缩系数,研究者做了大量工作。近年来,具有特殊4f电子层结构的稀土元素因具有优异的磁学性质而引起人们的广泛关注。人们将微量稀土元素Tb、Dy、Ce、Y、Sm、Pr等掺杂到Fe-Ga合金中,发现Fe-Ga合金的磁致伸缩性能得到明显的改善。然而到目前为止,有关稀土掺杂Fe-Ga合金的磁...
【文章来源】：材料导报. 2020,34(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同稀土元素掺杂Fe-Ga合金的研究文献所占比例
为了研究合金的力学性能，通常将重点放在极限拉伸强度和断裂应变上，这两种力学特性分别代表了合金的强度和延展性。Meng等[31]研究了(Fe0.81Ga0.19)100-xTbx(0<x<1)合金的力学性能(图2)。研究发现，当x<0.2时，随着析出相的形成，极限拉伸强度和断裂应变均明显提高，并且在x=0.2时合金力学性能最佳，机械抗拉强度为(595±10)MPa，断裂应变为(3.5±0.1)%。对于延展性，在未掺杂的Fe-Ga合金中，晶粒间的断裂严重劣化了合金的延展性。但稀土元素Tb掺杂有效地改善了合金的延展性。例如，在x=0.1时，合金的断裂模式转变为穿晶断裂;在x=0.2时，合金的形貌不仅粗糙，还有富Tb相的析出，其不连续分布的富Tb相的析出还有助于提升塑性，从而使得合金的延展性显著提高。但随着Tb含量(x=0.5和1)的增加，富Tb相的析出增加，导致相间断裂为主要断裂模式，而且与基体相比，析出物既硬又脆，因而这种力学性能较差的析出物对延展性产生了不利影响。对于极限拉伸强度，随着稀土元素Tb含量的增加，晶粒被细化，富Tb相的体积分数也较小，在这种情况下，晶粒细化效应阻碍了位错的运动并导致合金中的断裂模式由晶间断裂转变为穿晶断裂，进一步提高了合金的极限拉伸强度。随后，Meng等[32]用定向凝固的方式制得(Fe0.83-Ga0.17)100-xTbx(x=0、0.05、0.1、0.2、0.5)合金。研究发现，在定向凝固过程中合金的拉伸断裂行为由脆性向延性转变，并在x=0.05时，拉伸应变达到最大值，为6.6%。这说明延展性和拉伸强度的改变主要是由于析出物密度不同而导致合金的断裂模式不同。
Zhou等[33]将稀土元素Ce掺杂到Fe81Ga19合金中，研究发现在Fe-Ga-Ce合金中，晶格中每个原子的电子云都是非球形对称的。因为原子间的固态反应，所以其电子云变得很复杂。在晶格位置上不同方向的原子间的力，有些变重，有些变弱，导致晶格畸变。Yao等[13]对比分析了Fe83Ga17和Fe83-Ga17Ce0.8合金的X射线衍射(图4)，发现铸态Fe83Ga17Ce0.8合金和经过快淬处理后的Fe83Ga17Ce0.8合金会有劈峰出现，说明该各向异性DO3相的形成有利于Fe-Ga合金磁致伸缩系数的增加。同样，根据Lograsso等[3,34-35]的研究，证实了这种分裂是m-DO3结构的四方晶格畸变的宏观表征，表明了各向异性的DO3相的形成，而各向异性的DO3相有利于Fe-Ga合金磁致伸缩系数的增大。Jin等[25]用快淬的方法得到(Fe0.83Ga0.17)100-xDyx(0<x<0.42)合金薄带。通过实验发现，掺杂的Dy元素固溶于A2相中，其磁致伸缩性能有了很大的提高，并在x=0.25时，磁致伸缩系数达到最大值(-662×10-6)，是Fe83Ga17合金的三倍。随后，他们[22]又研究了在较宽冷却范围内Fe83Ga17合金中Tb的固溶性，以及(Fe0.83Ga0.17)100-xTbx(0<x<0.47)合金磁致伸缩性能的变化。研究发现，冷却速率越快，Tb在Fe-Ga合金中的固溶性越高，从而导致合金的磁致伸缩强度增大。最后，他们又用高温退火的方式来调节Tb的固溶度，在退火过程中发现固溶的Tb原子扩散、偏聚并以第二相的形式析出，导致基体的四方畸变程度显著降低，因此合金的磁致伸缩性能大幅度降低[30]。这些结果反证Fe-Ga-Tb合金的巨磁致伸缩效应的结构起源是:微量的大原子Tb固溶到基体中引起了较大的晶格畸变，从而增强了合金的磁致伸缩性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fe及Fe83Ga17和Fe83Ga17Pr0.3合金的微结构与磁致伸缩性能[J]. 赵丽娟,田晓,姚占全,江丽萍. 材料导报. 2018(16)
[2]Effect of cerium on structure,magnetism and magnetostriction of Fe81Ga19 alloy[J]. Tingdong Zhou,Yu Zhang,Daocheng Luan,Qing Cai. Journal of Rare Earths. 2018(07)
[3]Improved magnetostriction of Fe83Ga17 ribbons doped with Sm[J]. Wei Wu,Chengbao Jiang. Rare Metals. 2017(01)
[4]轧制Fe83Ga17Er0.4合金的磁致伸缩性能及显微组织[J]. 梁雨萍,郝宏波,王婷婷,郭利利,吴双霞,江丽萍. 稀土. 2016(06)
[5]Y对铸态Fe81Ga19合金组织结构及磁致伸缩性能的影响[J]. 龚沛,江丽萍,闫文俊,赵增祺. 稀土. 2016(02)
[6]Effect of yttrium on the mechanical and magnetostrictive properties of Fe83Ga17 alloy[J]. 李纪恒,肖锡铭,袁超,高学绪,包小倩. Journal of Rare Earths. 2015(10)
[7]Fe83Ga17Tby合金组织结构及磁致伸缩性能[J]. 龚沛,江丽萍,赵增祺,吴双霞. 稀有金属材料与工程. 2013(10)
本文编号：3448887
【文章来源】：材料导报. 2020,34(07)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
不同稀土元素掺杂Fe-Ga合金的研究文献所占比例
为了研究合金的力学性能，通常将重点放在极限拉伸强度和断裂应变上，这两种力学特性分别代表了合金的强度和延展性。Meng等[31]研究了(Fe0.81Ga0.19)100-xTbx(0<x<1)合金的力学性能(图2)。研究发现，当x<0.2时，随着析出相的形成，极限拉伸强度和断裂应变均明显提高，并且在x=0.2时合金力学性能最佳，机械抗拉强度为(595±10)MPa，断裂应变为(3.5±0.1)%。对于延展性，在未掺杂的Fe-Ga合金中，晶粒间的断裂严重劣化了合金的延展性。但稀土元素Tb掺杂有效地改善了合金的延展性。例如，在x=0.1时，合金的断裂模式转变为穿晶断裂;在x=0.2时，合金的形貌不仅粗糙，还有富Tb相的析出，其不连续分布的富Tb相的析出还有助于提升塑性，从而使得合金的延展性显著提高。但随着Tb含量(x=0.5和1)的增加，富Tb相的析出增加，导致相间断裂为主要断裂模式，而且与基体相比，析出物既硬又脆，因而这种力学性能较差的析出物对延展性产生了不利影响。对于极限拉伸强度，随着稀土元素Tb含量的增加，晶粒被细化，富Tb相的体积分数也较小，在这种情况下，晶粒细化效应阻碍了位错的运动并导致合金中的断裂模式由晶间断裂转变为穿晶断裂，进一步提高了合金的极限拉伸强度。随后，Meng等[32]用定向凝固的方式制得(Fe0.83-Ga0.17)100-xTbx(x=0、0.05、0.1、0.2、0.5)合金。研究发现，在定向凝固过程中合金的拉伸断裂行为由脆性向延性转变，并在x=0.05时，拉伸应变达到最大值，为6.6%。这说明延展性和拉伸强度的改变主要是由于析出物密度不同而导致合金的断裂模式不同。
Zhou等[33]将稀土元素Ce掺杂到Fe81Ga19合金中，研究发现在Fe-Ga-Ce合金中，晶格中每个原子的电子云都是非球形对称的。因为原子间的固态反应，所以其电子云变得很复杂。在晶格位置上不同方向的原子间的力，有些变重，有些变弱，导致晶格畸变。Yao等[13]对比分析了Fe83Ga17和Fe83-Ga17Ce0.8合金的X射线衍射(图4)，发现铸态Fe83Ga17Ce0.8合金和经过快淬处理后的Fe83Ga17Ce0.8合金会有劈峰出现，说明该各向异性DO3相的形成有利于Fe-Ga合金磁致伸缩系数的增加。同样，根据Lograsso等[3,34-35]的研究，证实了这种分裂是m-DO3结构的四方晶格畸变的宏观表征，表明了各向异性的DO3相的形成，而各向异性的DO3相有利于Fe-Ga合金磁致伸缩系数的增大。Jin等[25]用快淬的方法得到(Fe0.83Ga0.17)100-xDyx(0<x<0.42)合金薄带。通过实验发现，掺杂的Dy元素固溶于A2相中，其磁致伸缩性能有了很大的提高，并在x=0.25时，磁致伸缩系数达到最大值(-662×10-6)，是Fe83Ga17合金的三倍。随后，他们[22]又研究了在较宽冷却范围内Fe83Ga17合金中Tb的固溶性，以及(Fe0.83Ga0.17)100-xTbx(0<x<0.47)合金磁致伸缩性能的变化。研究发现，冷却速率越快，Tb在Fe-Ga合金中的固溶性越高，从而导致合金的磁致伸缩强度增大。最后，他们又用高温退火的方式来调节Tb的固溶度，在退火过程中发现固溶的Tb原子扩散、偏聚并以第二相的形式析出，导致基体的四方畸变程度显著降低，因此合金的磁致伸缩性能大幅度降低[30]。这些结果反证Fe-Ga-Tb合金的巨磁致伸缩效应的结构起源是:微量的大原子Tb固溶到基体中引起了较大的晶格畸变，从而增强了合金的磁致伸缩性能。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fe及Fe83Ga17和Fe83Ga17Pr0.3合金的微结构与磁致伸缩性能[J]. 赵丽娟,田晓,姚占全,江丽萍. 材料导报. 2018(16)
[2]Effect of cerium on structure,magnetism and magnetostriction of Fe81Ga19 alloy[J]. Tingdong Zhou,Yu Zhang,Daocheng Luan,Qing Cai. Journal of Rare Earths. 2018(07)
[3]Improved magnetostriction of Fe83Ga17 ribbons doped with Sm[J]. Wei Wu,Chengbao Jiang. Rare Metals. 2017(01)
[4]轧制Fe83Ga17Er0.4合金的磁致伸缩性能及显微组织[J]. 梁雨萍,郝宏波,王婷婷,郭利利,吴双霞,江丽萍. 稀土. 2016(06)
[5]Y对铸态Fe81Ga19合金组织结构及磁致伸缩性能的影响[J]. 龚沛,江丽萍,闫文俊,赵增祺. 稀土. 2016(02)
[6]Effect of yttrium on the mechanical and magnetostrictive properties of Fe83Ga17 alloy[J]. 李纪恒,肖锡铭,袁超,高学绪,包小倩. Journal of Rare Earths. 2015(10)
[7]Fe83Ga17Tby合金组织结构及磁致伸缩性能[J]. 龚沛,江丽萍,赵增祺,吴双霞. 稀有金属材料与工程. 2013(10)
本文编号：3448887
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