题目：磁驱动形状记忆合金凝固及相变特性

磁驱动形状记忆合金是近些年新发展起来的一类磁弹性材料，这类合金具有优异的磁场驱动形状记忆效应以及多种马氏体相变的伴随效应，有望发展成为新一代智能材料。本文以三元磁驱动形状记忆合金Ni-Mn-Ga为对象，以“单晶生长—多晶定向凝固—快速凝固甩带”为主线，系统研究了磁驱动形状记忆合金在近平衡、远平衡条件下的组织，包括凝固界面形貌、马氏体孪晶组织、相关的结构和磁性能。以自主设计的Ni-Mn-Ga-Cu合金为对象，系统研究了磁驱动形状记忆合金的马氏体相变和磁性转变顺序控制规律。 成功制备了外形规则、成分分布均匀、具有择优取向的平衡成分Ni2MnGa、富Ni和富Mn三个系列Ni-Mn-Ga合金高品质单晶，掌握了固液界面前沿溶质再分配规律，建立了反映轴向成分分布规律的数学模型。控制熔区形态及其稳定性是采用光学加热悬浮区熔法获得外形规则单晶体的关键。单晶生长过程中固液界面凸向液体，有利于晶粒淘汰。固液界面为平界面，在微观尺度上具有粗糙结构。界面前沿液相中富Mn、贫Ni和Ga，界面溶质再分配系数k0 (Ni) > 1, k0 (Mn) 1。与晶体轴向成分分布相关的初始过度段长度小于20mm。基于光学加热悬浮区熔晶体生长的特点及固液界面前沿溶质再分配行为，建立了预测轴向成分分布的数学模型。预测结果与实验结果十分吻合。 揭示了磁驱动形状记忆合金在近平衡、远平衡条件下的凝固界面形貌演变规律，提出了马氏体孪晶组态与凝固条件的相关性，明确了快速凝固甩带中磁场驱动孪晶界移动及其可逆性的微观机制。在定向凝固条件下，随凝固速度升高，合金从平界面凝固逐渐演变为胞状凝固，马氏体孪晶板条尺寸逐渐减小，组织细化。快速凝固甩带具有择优取向。在100Oe磁场下，M-T曲线在奥氏体居里点附近出现Hopkinson峰，马氏体的M-H曲线在2000Oe场处斜率突变增加。高温热处理后上述现象消失。分析表明，快速凝固在甩带中产生两个效应，局域原子无序和与长程内应力。其中长程内应力在奥氏体中诱发的显著磁各向异性导M-T磁曲线上居里点处Hopkinson峰的出现。在内应力约束下相变产生的马氏体正交晶格的难磁化轴沿甩带方向择优取向，因而在磁场作用下发生孪晶界移动，马氏体M-H曲线斜率突变增加。孪晶界移动过程中多晶之间的相互作用使样品的弹性能增加，导致孪晶界移动不充分，并且表现出可逆性。 提出了对磁驱动形状记忆合金具有指导意义的马氏体相变和磁性转变顺序合金化控制思想，在自主设计的Ni-Mn-Ga-Cu合金中预测并通过实验获得了“顺磁马氏体-铁磁奥氏体”相变。通过在Ni-Mn-Ga-Cu合金中系统研究马氏体相变温度TM、奥氏体居里温度TCA和马氏体居里温度TCM随成分的变化规律，建立了反映三个特征转变温度与合金成分之间定量关系的数学公式。据此预测了存在“顺磁马氏体-铁磁奥氏体”转变的合金成分体系Ni46Mn25+yGa25-yCu4，并在该体系的Ni46Mn33Ga17Cu4合金中通过实验获得了这一相变。