B元素对Ni-Fe-Ga-Co磁致形状记忆合金相变及力学性能的影响

张清华(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

0 引言

Ni-Fe-Ga合金是近年来发展起来的一种新型磁致形状记忆合金[1-3]，该合金具有良好的相变稳定性、良好的形状记忆功能[4]以及磁致应变大[5]等优点。有希望替代Ni-Mn-Ga形状记忆合金作为传感和驱动应用在航空航天和其他领域[6]。马氏体相变(MT)温度对成分的依赖性在Ni-Mn-Ga和Ni-Fe-Ga合金体系中进行了广泛研究；结果表明，相变温度随着Ni含量的增加而升高[7-9]。通常，铁磁形状记忆合金的相变温度可以通过热处理[10-11]或添加一些微量元素[12-17]来改变。后一种方法已被证明可以有效的改变马氏体温度以及其他性能，如力学性能。Aydogdu等[18]发现添加微量元素B可以使得Ni-Mn-Ga合金体系相变温度显著降低并有第二相生产。研究发现[19]添加微量元素B可以使得Ti-Pd-Ni合金体系的塑性和抗拉强度得到提高。本文选取化学成分为Ni46-xFe18Ga27Co9Bx(at.%，x=0，0.1，0.5)一系列合金，通过在Ni-Fe-Ga-Co合金体系中掺杂微量元素B，研究了B元素对显微组织、相变温度以及力学性能的影响规律。

1 实验材料及方法

通过真空电弧熔炼及吸铸的方法制备了3组成分不同的NiFeGaCoB合金，其成分分别为Ni46Fe18Ga27Co9B0、Ni45.9Fe18Ga27Co9B0.1、和Ni45.5Fe18Ga27Co9B0.5，为了方便起见，本文此后将根据合金B的含量将各合金分别标记为B0，B0.1和B0.5。分别利用金相显微镜、综合热分析仪和万能试验机对合金的显微组织、相变温度和力学性能进行了研究分析。

2 实验结果与讨论

B0，B0.1和B0.5等三个成分合金在室温下的显微组织如图1所示，从图中可以看到三个成分合金在室温下都为奥氏体相，没有出现马氏体组织，表明三个成分合金的马氏体转变温度都在室温以下。B元素含量的改变对晶粒大小影响不大，但在B0.5的合金中出现了析出物，从图1(c)中可以明显看出在基体上弥散分布有析出相。

图1 三种在室温下的光学显微组织组织

利用综合热分析仪对B0，B0.1和B0.5等三个合金进行DSC测试，以分析B元素对相变温度的影响。B0、B0.1和B0.5等三个合金成分的DSC曲线如图2所示，冷却和加热时扫描速率都为10 ℃/min，结果表明在加热和冷却过程中只有一个吸热峰和一个放热峰，这表明添加微量元素B的Ni46-xFe18Ga27Co9Bx(at.%，x=0.1，0.5)五元合金体系与未添加B的Ni46Fe18Ga27Co9四元合金体系一样都发生了一步相变，没有发生中间马氏体相变。从DSC曲线中推导出的B0、B0.1和B0.5等三个合金成分的相变温度都列于表1中。结果表明相变温度随着B含量的增加而显著降低。

图2 加热和冷却中B0、B0.1和B0.5合金DSC结果

表1 B0、B0.1和B0.5合金的相变温度和价电子浓度

据报道在Ni-Mn-Ga[20]和Ni-Fe-Ga[21]合金体系中电子浓度的变化会显著影响马氏体的相变温度。Ni46-xFe18Ga27Co9Bx(at.%，x=0.1，0.5)合金体系中c/a值随着B含量的变化从6.85下降到了6.82，如表1所示。不同B含量合金的相变温度与电子浓度c/a的关系如图3所示，趋势表明相变温度随c/a的增加而升高。因此，原则上，在Ni-Fe-Ga三元合金体系中的马氏体相变温度与价电子浓度的关系，也可应用在有限成分内的Ni46-xFe18Ga27Co9Bx合金。

图3 B0、B0.1和B0.5合金价电子浓度对相变温度的影响

通过室温压缩实验研究了微量B元素的添加对Ni-Fe-Ga-Co合金力学性能的影响。B0、B0.1和B0.5合金压缩应力-应变曲线如图4所示，曲线表明添加B元素后合金的弹性模量增大。通过该实验测得的合金强度和延伸率(如表2所示)，结果表明含B合金的强度和塑性要远远高于不含B的合金。对于B0.5合金，其屈服强度和抗压强度分别为465.4 MPa和1 286.3 MPa，是不含B合金的两倍多。此外，由于B元素的添加，合金的塑性也得到了改善，其延伸率从6.6%增加到了13.4%。这表明B元素的添加显著增强了合金的强度和塑性。合金抗压强度的提高可能是沉淀相(未知相)的形成，以及一些杂质元素随着B元素添加而减少导致的。

图4 B0、B0.1和B0.5合金在室温下的压缩应力-应变曲线

表2 B0、B0.1和B0.5合金的力学性能

3 结语

在Ni46-xFe18Ga27Co9Bx(at.%，x=0，0.1，0.5)合金中添加B元素，各成分合金在室温下都为奥氏体相，随着B含量的增加会有弥散相析出；随着所添加微量元素B含量的增加合金的相变温度显著降低，所有成分的合金都表现为一步相变；B元素的添加显著提高了合金的强度和塑性，B0.5的屈服和抗拉强度都为B0的两倍多，其延伸率也从6.6%增加到了13.4%。