成分对Fe基块体非晶合金因瓦效应的影响研究

发布时间：2020-10-11 00:52

　　 因瓦效应是指某些磁性合金在居里温度以下或居里温度附近具有异常低的热膨胀系数的现象,最早在Fe_(65)Ni_(35)合金中发现,是迄今为止唯一获得诺贝尔物理学奖的冶金学成果。因瓦合金的低膨胀特性已获得了广泛应用,但由于传统因瓦合金均为面心立方结构,强度很低,仅500 MPa左右,在一些对强度要求较高的场合还是难以胜任。早期有很多Fe基非晶合金因瓦效应的报道,但均为薄带非晶,难以作为结构材料应用。Fe基块体非晶合金三维尺寸均达到毫米级,具有优异的力学和耐腐蚀性能,强度多在3000MPa以上,热稳定性也优于早期的薄带非晶。本课题组之前发现(Fe_(71.2)B_(24)Y_(4.8))_(96)Nb_4具有明显的因瓦效应,并研究了各种结构变化对其的影响。本论文重在研究成分对Fe基块体非晶合金的影响,发现了一些重要的并且具有普遍意义的规律,这对深入理解因瓦效应的物理机制,以及进一步开发高强度低膨胀Fe基块体非晶具有很好的指导意义。采用单辊甩带和铜模喷铸法制备Fe基薄带样品和直径1 mm的Fe基块体样品,利用X射线衍射判定样品是否为非晶,利用热膨胀仪测试Fe基块体非晶的热膨胀行为,利用差热分析测试表征结构随温度的变化行为,利用综合物性测试系统测试Fe基非晶的磁性能。研究了Fe_(76-x)Si_(3.3)P_(8.7)C_(7.0)B_(5.0)M_x、[(Fe_(1-x)Co_x)]_(75)B_(20)Si_5]_(96)Nb_4、Fe_(100-x)Ni_xP_(13)C_7和(Fe,Ni)MoPCB四个体系十余个磁性Fe基非晶的热膨胀行为,发现它们均具有因瓦效应,由此推断因瓦效应是铁磁性铁基非晶的普遍性质,利用Bethe-Slater曲线结合非晶的结构特点对此现象进行了较好的解释。根据热膨胀系数曲线的特征可将Fe基块体非晶合金的因瓦效应分为“凹坑型”和“台阶型”两类,前者低膨胀仅发生在居里温度附近一个很窄的温度区间内,后者在居里温度以下宽广的温度范围内均具有低膨胀特性,更具实用性。并且进一步发现具有“台阶型”因瓦效应的成分的居里温度和饱和磁化强度均偏低,即磁性能偏低,这与因瓦效应成因的主流解释相符。初步发现Co和Ni的加入会导致因瓦效应的减弱,这是因为根据Bethe-Slater曲线,Fe元素具有正的自发体积磁致伸缩,而Co和Ni元素则具有负的自发体积磁致伸缩。研究了Fe_(72)B_(22)Y_4M_2(M=Al,Ti,Hf,Ta)的热膨胀、热流和磁性能,这些合金均具有“台阶型”因瓦效应,且它们因瓦效应的强弱和饱和磁化强度与M元素的熔点呈负相关,表征磁性相变的居里温度和表征固液相变的熔点也与M元素的熔点呈负相关,但玻璃转变温度和晶化温度这两个与非晶属性有关的特征温度与M元素的熔点无明显关系。研究了[(Fe_(100-x)Co_x)_(71.2)B_(24)Y_(4.8)]_(96)Nb_4(x=0-60)、[(Fe_(100-x)Ni_x)_(71.2)B_(24)Y_(4.8)]_(96)Nb_4(x=0-20)、[(Fe_(100-x)Co_x)_(75)B_(20)Si_5]_(96)Nb_4(x=0-50)、[(Fe_(100-x)Ni_x)_(75)B_(20)Si_5]_(96)Nb_4(x=0-30)四个合金体系的热膨胀,证实了用Co和Ni替代Fe元素均会导致因瓦效应的减弱,且不管是用Co还是Ni来替代,替代量x相同时因瓦效应减弱的程度也基本相同,说明Co和Ni加入后的主要影响是减少了Fe-Fe原子对的数目。另外还发现居里温度与磁性相变结束后的热膨胀系数呈反向变化,这与结构弛豫导致的自由体积释放有关。
【学位单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG139.8
【部分图文】：

成分对 Fe 基块体非晶合金因瓦效应的影响研究用因瓦合金制作相比与用传统合金可以达到更高程度的清晰度。另外也可以用属片的被动层，热双金属片主要用于温度测量、温度控制、温度补偿器件和各制设备中的热敏元件，可以广泛应用于工业自动化领域，如图 1.1 所示。因瓦以用作电子元器件的封接材料，一般这种封接材料都是用铂做的，成本很高，瓦合金代替铂在很大程度上降低了材料成本，更重要的是可以使电子元器件的。另外，因瓦合金在对环境中温度变化时而要求器件尺寸几乎不随温度波动而变中也有广泛的应用，如精密仪表仪器中的元部件，标准钟上的摆杆和摆轮，精臂，长度标尺，大地测量基准尺，微波通讯的波导管，标准频率发生器，各种腔，等等。

瓦合金代替铂在很大程度上降低了材料成本，更重要的是可以使电子元器件的。另外，因瓦合金在对环境中温度变化时而要求器件尺寸几乎不随温度波动而变中也有广泛的应用，如精密仪表仪器中的元部件，标准钟上的摆杆和摆轮，精臂，长度标尺，大地测量基准尺，微波通讯的波导管，标准频率发生器，各种腔，等等。图 1.1 (a) 因瓦合金制作的显像器荫罩图；(b) 美国 ABB 公司生产的热双金属片[9]

成分对 Fe 基块体非晶合金因瓦效应的影响研究炼径为 18 mm 的石英管感应加热熔炼合金。由于硼粉密度然后根据成分再依次放入碳粉和 Fe-P 合金，最后放入硅到真空急冷装置 ( 日本真壁技研公司 VF-RQT50 真空急冷Pa 后充入 0.09 MPa 的高纯氩气，然后通过感应加热方式圆锭放置到电弧炉(日本真壁技研公司 VF-AMP30 电弧炉)素也一同放置到电弧炉中，抽真空至 4 10-3Pa 后充入 0.07吸收残余氧气，然后将合金熔炼四次获得成分均匀的母合感应熔炼和电弧熔炼过程中质量损耗合计不超过 0.01 g。
【参考文献】

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1 胡强;曾燮榕;钱海霞;谢胜辉;盛洪超;;铁基块体非晶合金玻璃形成能力与特征自由体积的关系[J];金属学报;2012年11期

2 陈昀;李明光;张艳红;张明霞;;因瓦合金发展现状及应用前景[J];机械研究与应用;2009年04期

3 鲜于泽，卢志超;因瓦效应与中子散射[J];东北大学学报;1995年03期

4 卢志超，鲜于泽，沈保根，吕曼祺;Fe基非晶和纳米晶合金的热膨胀[J];材料研究学报;1995年01期

5 卢志超，鲜于泽，李际周，叶春堂，李竹起，康健,沈保根，吕曼祺;非晶态Fe_（90－x）Co_xZr_（10）合金的Invar效应研究[J];金属学报;1994年15期

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1 卢志超;铁基非晶及纳米晶合金的因瓦效应研究[D];东北大学;1994年

本文编号：2835799