磁场下NiMnGa合金伪弹性的相场方法的研究.pdfVIP

磁场下NiMnGa合金伪弹性的相场方法研究 马星桥’昊平早1睬龙庆2 1北京科技大学物理系，2宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系 铁磁性马氏体Ni2MnGa，因其既具有铁磁性，又具形状记忆效应，近年来被广泛的关 注和研究．2003年Mullner等人通过在垂直于应力的方向上施加一定大小的磁场，发现当 应力卸载之后，应变能够自动回复，但有一个滞后，存在伪弹性现象llj。Mullner等人认 为，应变回复这个过程的发生是由于孪晶壁的移动，而滞后则起源于马氏体的塑性微观机 Li、N．Sarawate等人研究mJ，他们发现，只有 H∞zko、Guang 制。这个现象随后被Oleg 当磁场达到一定程度的时候，应变才能够回复，在较小磁场下表现出类塑性。目前，对这 一现象的机理尚未见详细的模型化解释． 近年来相场方法已经在模拟材料的磁畴结构和热弹性马氏体中取得了成功，并且成功 的模拟了铁磁性形状记忆合金NiMnGa中磁弹性行为16J。本文中，我们用相场方法模拟了 不同磁场下NiMnGa合金的伪弹性现象，根据所得的磁畴结构和马氏体微结构详细分析了 较小磁场下塑性的起源，并解释了伪弹性发生的原因，阐述了其出现条件。 铁磁性马氏体中的磁畴结构用磁化强度M(r)的空间分布描述，用应变岛(r)描述马 氏体变体的分布．材料中的总自由能由下式给出： +E-+E出瞬． (1) E=层荫+占耐+EN+E删+￡蛐+E庐埔鲥 这里的E岫，E赫E郴，E地卫|l’EL捌岫耐i劬E的和Ed幽各分量分别代表磁晶各向异 性能、交换作用能、静磁能、外场能、朗道能、应变梯度能、磁弹性能和弹性能。 time--dependentGinzburg-Landau删，)方程来描述的来描述： o+矿)警=哨oMxH,a一7MoaM×㈣％)，其中如一去篆 垒业：一上鱼晕，式中L是动力学系数，Y。为旋磁比，a为衰减系数． 西 昆： 图l(a)、(b)所示分别为无外磁场和在x方向加300kA／m稳定磁场情况下的应力 应变曲线及不同应力下的磁畴结构和马氏体微结构。当在无外场的情况下在y方向上施加 压应力时。由于NiMnGa的磁致伸缩系数为负值。马氏体内应变方向与外应力方向相反的 部分长大，同时，应变方向与外应力方向垂直的部分缩小，孪晶壁发生移动。相应的磁畴 结构中，x方向磁畴与Y方向磁畴之间的90度畴壁发生移动，而180度畴壁则基本保持不 变。当应力增加到脚之后，仅存在y方向的马氏体变体及磁畴，沿x方向的磁畴消 失。应力卸载之后，马氏体微结构没有明显的的变化，亦没有沿x方向的磁畴结构生成。 所以由马氏体微结构变化造成的形变不能回复到加载前的初始状态，导致了类塑性的形 成。 当磁场增加到300kA／m时，应力加载前，与磁场方向相反的磁畴已经完全消失，与之 对应的y方向的磁畴也同时消失，这样材料中仅存在90度的畴壁。当在Y方向给材料施加 从OMpa到9Mpa的压应力时，材料应变由0增加到了5．3％，在这个过程中，马氏体变体 变化过程与无外场时一致，与加载的压应力方向相反的马氏体变体长大．从结果中可看 出，由于这时180度畴壁消失，畴壁移动为90度壁的移动。当卸载应力的时候，随着应力 的降低．应变开始时只是缓慢的下降，此时材料的磁畴结构和马氏体变体的分布变化不 大，在此阶段中，应变的降低主要是材料的弹性造成的。当应力降到0．8Mpa以下的时，应 变随应力降低快速下降。从模拟结果可以看出，此时与外磁场方向一致的磁畴开始长大， 造成畴壁移动。由于磁弹性耦合的作用，带动x方向的马氏体变体长大，这时可观察到马 氏体孪晶壁的移动，最终使材料的应变回复到初始状态。因此，磁畴壁的移动是产生铁磁 性马氏体伪弹性的必要条件。应存在一个临界场，当外磁场小于临界场时，不能引起磁畴 壁的移动，材料表现出塑性。 (a) (b) 图l： (a)无外场下Ni2MnGa的应力应变曲线，在垂直磁场方向加上7Mpa的压应力之后，材料中 (b)磁场为300kA／mFNi2MnGa的应 【0lo】与【0T