论文摘要
Ni-Mn-Ga合金是近年来倍受关注的一类新型多功能智能材料。这类材料在磁场作用下能够产生大的输出应变且具有高的响应频率,有望成为新一代智能驱动与传感材料。此外,Ni-Mn-Ga合金在磁-结构转变附近施加磁场还会产生较大的磁熵变化,从而显示出巨磁热效应,在磁制冷技术领域亦有广阔的应用前景。过去二十年里,人们针对与Ni-Mn-Ga合金成分相关的磁致形状记忆行为、磁热效应以及微观组织结构与性能优化等开展了广泛的研究。已经探明该类材料的磁致形状记忆效应来源于磁场作用下马氏体变体的再取向,而巨大的磁热效应起源于磁转变与晶体结构转变的耦合,并在单晶合金中获得了接近理论极限的磁驱形状变化及磁热功效。然而,由于Ni-Mn-Ga合金的调幅结构马氏体相的复杂性以及传统表征技术的各自局限性,无法对决定材料宏观性能的微观组织结构要素及其晶体学取向实施定量分析并将它们相互关联起来,因而极大地制约了该类材料朝着多晶化、织构化的实际应用方向发展。为此,论文作者利用空间分辨的电子背散射衍射（EBSD）取向分析技术,首次建立了能够准确表征具有长周期调幅结构马氏体的取向关系及界面特征的晶体学分析方法,据之详细研究了多晶Ni-Mn-Ga合金的马氏体微观组织特征与马氏体转变晶体学。在此基础上,探索了基于外场处理实现多晶材料织构化的可行途径,并研究了薄带材料磁热效应的成分依赖关系及其性能优化的组织结构调控工艺。主要创新性工作如下：一、基于最小切变原则,提出了适用于确定不同晶体结构体系中孪晶的孪生元素计算方法；引入晶体学等效关系,克服了特征界面的间接双迹线分析法的解不唯一性问题。采用正确的超结构信息实现了调制结构马氏体微观组织的EBSD自动取向测量,系统地分析了多晶Ni-Mn-Ga合金中五层调制结构（5M）、七层调制结构（7M）及非调制结构（NM）马氏体的变体组态、孪晶关系及界面特征。二、考虑马氏体相变过程引入的晶格变形及马氏体的结构调幅特征,提出了在不存在残余奥氏体的情况下由马氏体变体取向预测马氏体相变取向关系的方法,确定了Ni-Mn-Ga合金马氏体相变过程中最有利的取向关系；详细解析了马氏体转变过程中的微观组织演化规律,阐明了马氏体的自协调机制。三、基于微观组织及晶体学表征,澄清了关于7M马氏体结构的长期争论,确证7M马氏体向NM马氏体的转变是一种中间马氏体转变,而并非是纳米孪晶NM变体的粗化；揭示了7M马氏体中间相稳定性的成分依赖特性及7M马氏体在奥氏体向NM马氏体转变过程中的作用,明晰了NM马氏体板条间的非共格界面以及奥氏体与NM马氏体之间的大晶格畸变是直接转变不可逾越的转变能垒,并由此提出利用这两个能垒提高7M马氏体稳定存在的温度区间的观点。四、以热-磁处理和热-机械处理为关键技术手段,探寻对多晶Ni-Mn-Ga块体合金实施微观组织调控及织构化。实验证实,吸铸合金马氏体相变过程中实施热-磁处理能够显著减少7M马氏体变体的数量；定向凝固合金马氏体相变过程中沿定向凝固方向实施热-机械处理可使7M马氏体的[010]7M趋向于压缩载荷方向,形成<010>7M强织构。五、基于合金成分设计并利用甩带技术,制备出磁性转变与结构转变同时发生（磁-结构转变）的强取向Ni52Mn26Ga22薄带,5T磁场下的最大磁熵变化为-11.4 Jkg-1K1；通过高温退火改善薄带的原子有序度并在磁-结构转变过程中引入中间马氏体转变,5T磁场下退火薄带的最大磁熵变化达-29.9Jkg-1K-1,为迄今报道的薄带合金中磁熵变化的最高值。上述研究深化了对Ni-Mn-Ga合金晶体学本质的认识,丰富了马氏体转变的基础理论并拓展了晶体学表征方法,提出了优化多晶材料磁控功能行为的组织调控工艺原型。