铁磁形状记忆合金复合材料力学性能试验研究

陈江旭， 薛立军*， 刘辉

(1.天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室， 天津 300384； 2.机电工程国家级实验教学示范中心(天津理工大学)， 天津 300384)

铁磁形状记忆合金(ferromagnetic shape memory alloys，FSMA)是在传统的形状记忆合金基础上开发出来的一种新型智能材料，既保持形状记忆性质，又具有受磁场控制的磁致形状记忆效应[1]。但是由于FSMA中马氏体变体的相互作用，以及晶粒呈任意方向分布，多晶FSMA往往不能产生大的应变，并且具有初始织构的多晶FSMA也很脆，不易加工成型，因此考虑将NiMnGa合金颗粒与环氧树脂混合，获得更多优越力学性能的复合材料，这样在不改变NiMnGa合金颗粒特性的同时还可以保证复合材料的韧性[2]。

刘金林等[3]研究了NiMnGa合金的显微组织和相变行为，结果表明合金的显微组织为双相组织，母相中含有马氏体片，并且在升降温过程发生马氏体相变。Hosoda等[4]首次将NiMnGa合金颗粒与树脂结合，制备NiMnGa合金复合材料。在磁场作用下，磁场会引起复合材料发生形变，可用于驱动器元件。朱玉萍等[5]利用力磁耦合试验表明NiMnGa合金颗粒呈现明显的各向异性以及不同切割角度对材料力学性能的影响。腾耀[6]研究了多晶NiMnGa合金在多场耦合条件下的本构关系，为该材料在实际工程中的应用提供理论指导。

周新等[7]给出镍钛形状记忆合金加载时的超弹性曲线，为NiMnGa合金复合材料在加载与卸载过程的马氏体体积分数的变化提供依据。Xue等[8]详细说明了铁磁形状记忆合金-环氧树脂复合材料在力磁耦合下的细观力学模型。基于此，详细介绍了短圆柱NiMnGa合金颗粒复合材料试件的制备方法，并且在单一应力条件下，对复合材料试件进行压缩试验，得出压缩应力应变曲线，并分析应力、NiMnGa合金颗粒尺寸以及NiMnGa合金颗粒含量对环氧树脂复合材料应变值的影响。

1 材料准备及实验过程

1.1 原材料及复合材料试件制备

选用的NiMnGa合金锭由纯度99.95%的Ni、Mn、Ga金属单质为原材料，考虑到Mn的挥发，实际配料时应多加了合金总质量的0.06%。实验中的炼制方法是在氩气保护下，通过电弧熔炼的方法制备获得合金锭。在经过机械研磨获得30～60 μm和90～120 μm的NiMnGa合金颗粒。NiMnGa合金颗粒制成的过程如图1所示。

NiMnGa合金颗粒复合材料是由环氧树脂E51、脂肪胺类固化剂四亚乙基五胺和NiMnGa合金颗粒按照比例混合组成。

根据试验方案，计算相应体积分数所需要的NiMnGa合金颗粒质量，并确定对应的E51环氧树脂的体积；在室温状态下，将环氧树脂与固化剂按6∶1的比例放在容器中，并加入对应质量的合金颗粒均匀混合，将合金颗粒和环氧树脂混合物倒入模具中，最后将模具放入超声波清洗机中，消除内部气泡；为了使合金颗粒在树脂中更加均匀地分布，每五分钟进行翻转一次，并在常温下放置12 h完成固化；最后将固化好的复合材料试件脱模打磨抛光。短圆柱复合材料试件用于压缩试验，直径d为12 mm，高度h为18 mm，如图2所示。

在制作复合材料试件的过程中，通过施加一个均匀的外部磁场可以控制NiMnGa合金颗粒在环氧树脂中的分布。不施加磁场时，NiMnGa合金颗粒在环氧树脂中随机分布，得到各向同性的复合材料，如图3(a)[4]所示。当施加磁场时，由于NiMnGa合金颗粒呈现各向异性，在磁场影响下NiMnGa合金颗粒将发生转变，致使NiMnGa合金颗粒与磁场方向平行，形成取向分布，如图3(b)[4]所示。

图1 合金粉末研磨过程Fig.1 Alloy powder grinding process

图2 铁磁形状记忆合金复合材料试件Fig.2 Ferromagnetic shape memory alloy composite specimen

图3 铁磁形状记忆合金复合材料制备[4]Fig.3 Preparation of ferromagnetic shape memory alloy composites[4]

1.2 试验方法

为了提高复合材料试件的稳定性能，使用WDW-300型电子万能试验机对试件进行力学训练，如图4所示。对圆柱形试件施加压缩应力，先将压缩应力加载到35 MPa,然后再卸载到0，此过程为一次力学训练，压缩应力加载速度和卸载速度均为0.25 mm/min。每个复合材料试件均完成上述两次相同的过程。力学训练结束后，根据试验要求，进行实验测量。试验测量了试件的应力应变关系，参数设置最大加载应力为80 MPa,加载速率为0.25 mm/min，然后卸载应力至0 MPa，卸载速率也为0.25 mm/min，最终得到应力应变曲线。

图4 WDW-300型电子万能试验机Fig.4 WDW-300 electronic universal testing machine

2 马氏体重取向本构关系

(1)

(2)

(3)

由Mori-Tanaka平均场方法[9]可得

(4)

式中：ε*为特征应变；εp为马氏体2由于重取向应变产生的本征应变。

根据Eshelby等效夹杂原理推导可得[10]

εpt=S(εp+ε*)

(5)

式(5)中：S为四阶张量。

σpt=L0(εpt-ε*)=L0(S-I)(εp+ε*)

(6)

式(6)中：I为四阶单位张量。

(7)

式(7)中：ξ为夹杂相的体积分数。

联立式(4)～式(7)可得

(8)

(9)

ε*={L0+(L1-L0)[S-ξ(S-I)]}-1(L0-

L1)[ε0+(1-ξ)(S-I)εp]

(10)

同理，可得合金材料的平均应变为

(11)

即铁磁形状记忆合金颗粒的平均应变可表示为

(12)

假设在加载应力前只有马氏体1存在，基于文献[11]在马氏体重取向状态应力择优取向马氏体变体体积分数表达式，优化后的公式为

(13)

式(13)中：σs(1,2)为开始转变临界应力；σf(1,2)为结束临界应力。

通过式(13)确定在马氏体在重取向过程中，两种不同马氏体变体的体积分数。最后通过式(12)可以得到马氏体变体在重取向时的应力应变曲线。

3 试验结果与讨论

3.1 微观形貌

使用OLYMPUS-BX51M型号电子显微镜测量不同试件的微观形态，如图5所示。

图5 OLYMPUS-BX51M电子显微镜Fig.5 OLYMPUS-BX51M electron microscope

不同试件的微观形态图，如图6所示。复合材料具有强度高，抗疲劳的优质特性，并且可以改善单一合金应变小，材料易碎等缺点。

3.2 分析不同因素对力学性能的影响

根据应力-应变曲线，从NiMnGa合金颗粒尺寸和体积分数方面对NiMnGa合金复合材料进行分析。

由图7(a)可知，合金颗粒尺寸为30～60 μm、体积分数为20%复合材料试件，在压缩应力不断增大时，整个复合材料的应变值也会变大，在马氏体发生重取向前，曲线近似为直线，这表明NiMnGa合金颗粒复合材料处于线弹性阶段，在室温时NiMnGa合金颗粒完全处于马氏体状态，由应力-应变曲线可知，40 MPa时，达到复合材料马氏体变体再取向开始转变临界点，试件的应力-应变曲线发生明显的改变，这个改变过程称为马氏体变体再取向过程；由于实验条件为单一应力，所以此过程为磁场择优取向变体转变为应力择优取向变体；当应力加载到约80 MPa后，将应力卸载，随着压应力的减少，当应力为40 MPa时，马氏体变体发生逆取向，由应力择优变体向磁场择优变体转变，同样出现明显的再取向平台；当应力减小到0 MPa，发现存在较小的残余应变，根据文献[12]可知，将具有残余应变的复合材料试样置于磁场中，应变会有所恢复。这是由于磁场致使NiMnGa合金复合材料中的马氏体变体发生转变。由图7(b)为20%含量复合材料马氏体变体重取向过程理论值与实验值对比，由于试件在制作过程中，影响试件的因素有很多，混合不均匀造成试件中含有少许气泡等都会影响实验值，造成理论与实验结果出现误差，但两条曲线都出现了马氏体变体重取向平台，基本趋势保持一致。

以30～60 μm-10%为例，30～60 μm-10%表示合金 颗粒尺寸为30～60 μm、体积分数为10%的复合材料； 银白色不规则形状物质为合金颗粒；黑色部分为环氧树脂图6 铁磁形状记忆合金复合材料不同试件的显微组织Fig.6 Microstructure of different specimens of ferromagnetic shape memory alloy composites

30～60 μm-20%表示合金颗粒尺寸为30～60 μm、 体积分数为20%复合材料试件图7 应力-应变曲线Fig.7 Stress-strain curve

图8为同一实验条件下，不同体积分数以及不同尺寸颗粒试件的压缩应力-应变对比曲线。由图7可知，复合材料试件的应力-应变曲线的趋势基本一致，铁磁形状记忆合金复合材料出现明显的非线性，都出现明显的马氏体变体重取向过程。如图8(a)所示，在体积分数不同，颗粒尺寸相同条件下，在相同的应力条件下，体积分数越大，应变值相对较大，残余应变越大。如图8(b)所示，在体积分数相同，颗粒尺寸不同的条件下，颗粒越大，残余应变越大，形成的闭合环越大。闭合环表明在应力卸载过程中释放能量，闭合环越大能量消耗越多，因此具有抗震缓冲的效果。

以30～60 μm-10%、90～120 μm-10%为例，其中，30～60 μm-10%表示 合金颗粒尺寸为30～60 μm、体积分数为10%复合材料试件； 90～120 μm-10%表示合金颗粒尺寸为90～120 μm、体积分数 为10%复合材料试件图8 不同试件应力-应变曲线对比Fig.8 Comparison of stress-strain curves of different specimens

4 结论

以NiMnGa合金复合材料试件为研究对象，分别对不同尺寸和体积分数的试件进行试验研究。为了提高复合材料在单一应力条件下的应变值，使试件内部的组织结构得到更好的调整，减少孪晶界的移动，所以需要对试件进行压缩力学训练，这样还有利于马氏体变体的转变。压缩力学训练完成后，使用WDW-300型电子万能试验机进行压缩试验，得出应力-应变曲线，对曲线进行分析总结，得出如下结论。

(1)在温度不变，外力相同条件下，复合材料相比合金而言，应变相同时需要更大的应力值，并且在压应力卸载为0后，复合材料会有较小的残余应变。因为环氧树脂基体包裹合金颗粒，所以NiMnGa合金颗粒的应变会受到阻碍，但NiMnGa合金颗粒受到较小的外载荷，大部分载荷环氧树脂基体承担，这样可以改善合金颗粒易碎的缺点。

(2)不同尺寸的NiMnGa合金颗粒影响复合材料的应力应变，但复合材料发生马氏体变体重取向的临界应力约为40 MPa。随着合金颗粒含量的增加，压缩应力卸载后，复合材料产生的残余应变会更大。这样复合材料缓冲的效果更好。