导语：Ni2MnGa的磁性和磁力学性能

ni(cn)42-的磁性

铁磁性形状记忆合金Ni2MnGa一直是最近研究的对象。由于其异常大的磁致伸缩性，它被称用极化光学显微镜进行的实验证实，这些大的应变是由场诱导的马氏体变体的重新排列产生的。尽管之前的大量工作已经对马氏体变质的特征进行了详细的分析，但仍有很多问题需要解决。在Ni2MnGa中的形成，几乎没有关于基本磁特性的形成，即各向异性和磁致伸缩常数。虽然在高温奥氏体阶段确定这些特性是直接的，但由马氏体转变产生的变异微观结构和马氏体转变的现象是直接的。

场诱导的变异体重排使对这些特性的解释在低端市场上是不可能的。在Ni2MnGa中，当材料被冷却到一定程度时，会发生立方体到四边形的转变。在这种转变中，立方体单元格被收缩了沿着一条轴，沿着另外两条轴延伸。立体对称性允许形成三种可能的四边形结构，而这取决于哪个轴的收缩。一个典型的马氏体微结构由三种变体的混合物组成，其中两个相邻的变体相遇在两个可能的明确定义的界面之一称为双平面。

虽然这些变体中的每一个都有一个由其c轴定义的独特方向，但马氏相本质上是一种多晶状态由三种变体的可变体积分数组成。铁磁形状记忆效应指的是可逆的磁场诱导奥氏体向马氏体转变，或者通过外加磁场导致马氏体变体的重新排列。这种效应是最近在接近于Mn的合金中调查的主题。

我们的实验已经证明了铁磁性形状记忆效应，使用的是假设的观察到每个变体都有很强的单轴性。磁各向异性，其中易轴与c轴对齐。那么在适当选择的应用场方向下，场能是由于体积分数的增加而减少，通过努裂变或双边界运动，其易轴与场对齐的变体。由于四角形变体的结构各向异性为大的，现场引起的变化，从一个单一的变量。蚂蚁状态到另一个状态时，会产生很大的应变。最初变体的短轴成为最终变体的长轴。除了由变体重排引起的大应变外，还有一个对磁致伸缩的贡献，那就是由于局部自发摩尔的旋转而导致的四边形单元格的小变形。我们将其称为“普通的磁约束”。

因此，总的宏观应变是由变体重排和普通磁约束引起的。磁致伸缩性。以前的马氏体相位各向异性和磁致伸缩的测量方法实验结果表明，在一些情况下会出现反常的效果。因为他们没有考虑到形状记忆效应。一般来说，在马氏体的任何测量形状记忆铁磁体相的结果取决于最初的变体微观结构，这一点很复杂；这对高度的铁磁体来说都是如此。和低各向异性的材料。如果初始的微观结构由于应用场、应力或反复的加热/冷却循环而变化，例如，那么对于一个给定的试样方向的测量可能是不可重复的。

这一事实强调了进行马氏体测量的重要性。在一个有固定的、明确定义的试样上进行测量。微观结构通过对试样进行适当的偏压，并将其应用于单一马氏体变体，我们能够确定单轴的各向异性常数和普通的磁化常数，没有变体成核和重新排列的遮蔽效应。这些基本属性的测量对于评估铁磁性的发展至关重要。假设马氏体具有足够高的磁各向异性，从而使磁化保持僵硬地附着在容易的地方。从Ni2MnGa的轴取向关系中可以看出，Ni2MnGa的易轴为相邻的孪生带几乎垂直于彼此之间的关系，因此，适当的一对场或适当的场和压力的安排可以是用来使材料偏向于马氏体的一个变体或另一个变体，从而导致形状的巨大变化。

基于这种高马氏各向异性的假设，已经开发了一个微电磁理论，它允许马氏体变体的任意兼容的微结构来竞争自由能的最小值。该理论的预测与在各种不同的测试中的测量结果清楚地表明，“理想的”铁磁形状记忆被破坏了，即一些磁在测试过程中会发生磁化旋转。为了评估磁化旋转的倾向，并做改进的微电磁预测，需要马氏体的单一变体的基本各向异性常数。我们测量这一特性的方案也比较容易进行，因此可以作为潜在的铁磁形状记忆材料的筛选工具。在本文中，我们报告了Ni2MnGa的奥氏体和马氏体相的基本磁特性的测量，特别是那些与单一变体马氏体有关的状态。我们还报告了磁网力学试验的结果，该试验测量了一个适当方向的试验样品的工作强度和阻断应力。这些测试产生了迄今为止最大的4.3%的磁致伸缩应变，并表明目前的合金可以在施加应力的情况下获得大的应变。

实验展开路径

用于所有实验的试样都是用电火花线切割而成的，其成分为Ni51.3Mn24.0Ga24.7。马氏体转变的温度Ms是用目测的方法确定的。DSC测量结果为Ms≈-10℃，其中与过渡形成有关的温度滞后小于3℃。居里温度Tc是用易感性测量确定的，发现Tc≈85℃，表明奥氏体和马氏体相都是铁素体。通过测量了用于工作产出测试的矩形试样的质量，得出计算的密度为ρ=8.02g/cm³。所有M-H曲线和随后的各向异性数据使用一个振动的样品磁力仪获得的。

低温异相测量的冷却是通过使用一个小型的适合在杆件之间的亚克力外壳并将冷却的氮气导入VSM。为了使磁致伸缩和功输出的测量达到稳定的温度范围，我们建造了一个试样台，将冷却的氮气或加热的水循环到试样台。保持从-20℃到70℃的温度。试样台被安装在柱子之间。这是由一个1.5T的电磁铁所组成的，可以在不同的磁场方向上进行旋转。对于工作输出的测量，试样平台包含了在一个串联了小型铝制弹簧和一个称重传感器的销轴上，对试样施加压应力。

该弹簧被设计成柔软的，以适应与马氏体材料相关的大应变，而不会在施加的负载上有大的变化。一台光学显微镜安装在电磁铁的线圈之间，可以自由接触到试样台的顶部。用于工件输出测量的应变是通过光学方法确定的，使用显微镜线性平台上的LVDT来测量试样的长度。这种方法在试验中产生的大应变反复脱胶后成为必要。试样上的标尺。尽管LVDT的非线性和滞后限制了读数的准确性，大约为10µm，但这只相当于约为我们全尺寸位移的2%。在测试过程中对试样的影响，因此被认为是可以接受的。

实验结果

高温奥氏体的测量是在一个直径8.4毫米、厚0.64毫米的薄圆盘上进行的，该圆盘以(110)法线为导向，在圆盘的平面上给出(100)、(110)和(111)方向。为了确定磁各向异性常数K1和K2，在温度下对奥氏体盘状试样进行了一系列的M-H曲线测试，以接近马氏体转变温度Ms。图中显示了第一象限的一个在-9℃下进行的典型曲线。滞后现象是在所有的温度下，奥氏体的曲线都很小，He≈5Oe。

数据经过数字积分，以获得在奥氏体曲线和奥氏体曲线之间的面积值。曲线和M轴，并从这些区域计算出K1，并绘制在图中。(100)和(111)曲线在所有温度下基本相同，这意味着K2=-9K1/4在所有温度下都是一样的。关于VSM数据的分辨率，数据显示，奥氏体明显具有(100)易方向。然而，各向异性常数K1大约是一个数量级的小于铁和镍的典型值。奥氏体磁致伸缩的测量是在同一圆盘试样上进行的，其正面和背面分别粘有[100]和[011]的应变片。磁致伸缩常数λ100和λ111被确定在通常的方法是使用两个单独的量具读数，在[100]（θ=0°）和[011]（θ=90°）方向的饱和场和立方关系。

图中显示了磁致伸缩常数随着冷却时转化温度Ms的接近而变化。马氏体的一阶特征为这两个常数在高于Ms的最后5摄氏度内的快速变化标志着转变。奥氏体盘状试样也被用于对这种合金的热膨胀行为进行测定。

将室温状态固定为零应变，随后对圆盘进行加热和冷却，产生了图中的结果。图中的膨胀系数从0°C开始保持负值几乎达到居里点。由于λ100为负号，因此可以排除磁Invar效应的原因，并应产生相反的行为。这种类型的扩张异常现象表明存在着奥氏体盘同时在无外加场的情况下加热。

马氏体磁性测量

通过比较典型的奥氏体曲线，可以体会到马氏体相中各向异性特征的明显变化。这些曲线是在同一奥氏体测量中使用的盘状试样在冷却到Ms以下后。它们表现出与铁磁性相关的复杂特性。尽管要对曲线进行全面分析，需要对初始微观结构有明确的了解，但有几个特点是值得注意的。(110)的初始软度和(111)曲线的尾部斜率发生了根本性的变化，表明磁畴壁运动最初发生在旋转之后。在高场上，(100)的曲线似乎是曲线，但与单一的“小”字形曲线相比，“小”字形曲线更容易被理解为“大”字形曲线。

变量测量显示，情况并非如此。低温马氏体各向异性的测量是在一个薄的近似于“马氏体”的材料上进行。5.2毫米×5毫米×0.64毫米的方形晶圆，带有(100)的边缘。

测试的策略是使用一个小型夹具将试样压缩成单变量状态，如图所示，并产生平行和垂直于试样的M-H曲线。该夹具由非磁性的钴元素弹簧合金制成，其尺寸适合与VSM一起使用的冷却夹具。一个小的固定螺丝允许一个固定的延伸量。其中应用了相应的压缩对试样的应力。夹具的弹簧常数是在伺服液压测试系统上测量的，对于所使用的试样横截面，施加的应力是σ=1.6MPa/0.025mm延伸。

在所有的测试中，试样最初被冷却，沿压缩方向施加6000Oe的磁场。因此，施加的应力和场都会倾向于单一变体的起始状态。由于VSM在测量过程中不允许直接观察试样，因此，对组合的初步测试是不可能的。我们用偏振显微镜进行了研究，并证实当冷却到Ms以下时，该夹具确实产生了一个单一的变异状态。试样的尺寸略微长一些，在负载的情况下，根据测量到的材料的反形成应变，在从奥氏体压缩到单变体状态时，形状的变化产生了一个方形试样。这样一来，两条曲线的退磁效应保持不变，而单轴各向异性则是通过可以从曲线之间的面积计算出恒定的K⁵。

用压缩夹具进行了三个系列的测试，分别使用0.24、0.28和0.38毫米的延伸量。弹簧的数量延伸控制了施加在去捻试样上的初始载荷，并在转化为单一变体状态也决定了最终价值的应力。沿着压缩的收缩变化产生的轴（根据晶格参数和规格几何计算）是0.25毫米，因此，最终施加的应力为所用的三个扩展是0、1.9和8.3兆帕。在测试中，单变体状态下的应用应力是一个重要的参数，因为它需要防止第二个变体的成核。对于垂直于彗星的应用场的变体倾斜轴，允许确定的普通磁致伸缩常数来自应力各向异性效应，如下所述。

单变量马氏体M-H的结果曲线显示，c轴确实是容易的轴、曲线表现出预期的单轴异性。图中显示了0MPa和1.9MPa压缩的曲线。我们注意到，沿压缩轴的曲线对于所有施加的应力值几乎是相同的，这对于一个沿易轴受力的单轴材料来说是可以预期的。在以下情况下，可以看到施加应力的影响检验硬轴曲线。在没有施加载荷的情况下，试样不受约束地形成了第二种变体，其易轴垂直于压缩轴。这种成核现象在顶部曲线的非线性中是显而易见的，它最初比1.9MPa的曲线稍微软一些。

然而，随着第二种变体体积分数的增加，试样在压缩方向上延伸，并最终变成了长形。足够开始加载弹簧夹具，并在这时点的旋转开始发生斜率的变化。1.9MPa的曲线没有显示出成核的迹象，少量的滞后现象表明正在发生可逆的旋转过程。1.9MPa压缩试验的结果被用来确定M轴与易轴和硬轴曲线之间的面积。从这个数据中计算出的单轴异性常数是K⁵=2.45×106erg/cm³，大概是两个数量级的大于奥氏体各向异性的数量级。这个数据的斜率表明，8.3兆帕的曲线在稍大的磁场中达到了饱和，这意味着旋转产生了负载的延伸。方向。将磁能的变化等同于弹性能的变化，可以得到其中Δh是在较高应力下饱和所需的附加场，Δσ=6.4MPa。两条曲线的斜率是用数据的最小二乘法拟合计算出来的，Δh是由这些斜率计算出来的在饱和状态下线性拟合的斜率偏差给出的计算范围，由此得出。

低温功输出/阻断应力的测量是在一个长方形的尺寸为2毫米×2毫米×12.7毫米的角钢和（100）条边。在下面的讨论中，我们指棒的长（100）边为轴向，短（100）边为横向，并以其易轴/c轴为变量。在理想的铁磁形状记忆条件下的测试示意图见图中。在低于M³冷却到-14°C后，一个轴向的压应力σ被施加到试样上。这个应力有利于由轴向变体组成的单变体状态。然后施加一个大的横向场（12000 Oe）来引入横向的变体。这诱发了一个大的轴向延伸，对应用应力σ起作用。对于足够大的应力，场能量将被通过旋转过程减少。在这一点上，无视在与普通磁网收缩相关的小应变中，达到阻断应力，功输出变为零。

在σ值增加的情况下，进行了两个系列的测试，以确定试样的阻断应力；这些在图中显示。这些数据点对应的是轴向在第一个系列中，在8MPa时没有达到阻断应力，因此用稍硬的弹簧重复测试，直到15MPa的压缩量。曲线反映了LVDT应变测定技术的不精确性，但其趋势是两者都表明，阻断应力大约为9兆帕。在这些试验中产生的最大应变发生在试样最初的时候。倾斜，施加8兆帕的轴向应力。然后去除应力，像以前一样施加一个横向场。

当对轴向应力不做功时，如图所示，试样能够在最大横向磁场下进行更全面的转换，导致4.3%的应变。在这些数据中，图中的虚线表示LVDT的应变测定没有提供中间应变数据，只提供了在0和12000欧的横向磁场下的应变。在这个试验中，在产生大应变的初始磁场应用后，磁场被循环到零左右。在这个实验中，在产生大应变的初始磁场应用后，磁场被循环到零左右。结果强调了初始微观结构对后续行为的重要性。由于没有轴向应力存在以偏向于单一的变体压缩状态，应变只减少了在最初的领域被移除后少量的应力。这种减少可以归因于消磁效应，它有利于轴向变体。

随后的场的应用产生了少量额外的轴向延伸，但这里的起始微结构没有被应力偏压，所以轴向变体的体积裂缝要比在原始压缩状态。产生大应变的初始微观结构偏向的要求直接影响了铁矿的磁致伸缩测量的可逆性。在整个测试过程中施加适当的偏置应力或磁场，测量是可逆的；最近的循环在5MPa的恒定载荷下，使用同一试样的实验产生的应变为5000με。在50-100个周期的时间内，产生的应变将是应用的函数。据推测，较小的负载将有更大的磁网收缩的可逆成分，对这一点的实验确认有待于完成一个更新的设置，并在此基础上进行。

研究讨论和总结

实验证明，马氏体变体中强单轴各向异性的假设是正确的，并且易轴与变体的c轴相对应。表1总结了Ni2MnGa的奥氏体和马氏体相的磁特性。

易轴和硬轴的曲线产生了在单变体实验中，我们看到了先前的盘状试样曲线，正如预期的那样。我们注意到，(100)盘状试样的曲线，它具有硬轴曲线的特点，是明显的比实际的硬轴曲线更软。一般来说，(100)场应该在能量上有利于一种变体体积分数的增长，而不是其他两种，并且很可能（100）的曲线对应于有利变体体积分数的增加。曲线缺乏柔软性，表明几乎没有发生磁畴壁运动。我们还注意到，大体积的有利变体的存在将倾向于促进由于薄样品的小消磁效应，磁畴壁的移动比其他过程要快。

这表明，初始状态曲线的斜率表明了与双子束缚运动相关的较大的驱动能量，只包含一个小的有利的变体体积分数。值得研究的是，根据前面的结果，以前的马氏体相位各向异性测量。较弱的各向异性可以部分地用变体再分布的机制来解释，它提供了一个比旋转过程更低的能量途径来减少应用场能，因此，必须软化硬轴。

它也可能可以用非各向异性的变体分布的可能性来解释，这需要通过测量得出结论。测量是基于扭矩曲线的并表现出前面提到的由变体重排引起的扭矩下降，类似的反常巨大的扭矩和磁致伸缩效应也是如此。在形状记忆铁磁执行器的应用中在这种情况下，大应变下的大工作量需要高的各向异性，以防止在形状变化不大的情况下发生简单的旋转。用目前的数据进行简单的计算后发现，其他更微妙的过程也可能增强各向异性以抑制旋转。对于足够大的应用应力σ，在轴向变体将向应用的方向旋转，人们可能期望这发生在各向异性的能量加上定向磁约束引起的弹性能量之和小于变体重排引起的弹性能量。