● 摘要
铁磁形状记忆合金Ni-Mn-Ga是近期出现的一种新型金属功能材料，具有马氏体相变、预马氏体相变、中间马氏体相变等多种固态相变特征。基于这些固态相变，Ni-Mn-Ga合金呈现出丰富的物理效应，包括形状记忆、磁致应变、超弹性、阻尼（内耗）等。纵观该合金的整个制备过程，先后经历两个典型的一级相变，即凝固（液-固相变）和马氏体相变（固-固相变）。长期以来，这两种相变均在各自领域被独立研究。最近，我们课题组发现凝固条件不同，Ni-Mn-Ga合金的马氏体孪晶形态差别很大，表明凝固与固态相变之间存在相关性。如果揭示出这一相关性，有望通过控制凝固过程进而有效调控材料的固态相变，对于改进或获得全新的物理效应都具有重要意义。因此，本文以Ni-Mn-Ga合金为研究对象，系统研究了其凝固与固态相变之间的相关性以及内耗行为。
揭示了Ni50.5Mn25Ga24.5合金的凝固与固态相变之间的相关性及其内在关键因素。发现随着定向凝固速度增加，奥氏体凝固形貌由平面晶逐渐演变为胞状晶和树枝晶。在所有凝固形貌的样品中均观察到马氏体相变。随凝固速度增加，马氏体相变温度降低，相变滞后增大。平面晶的马氏体孪晶板条粗大，而胞状晶和树枝晶的马氏体孪晶板条细小。在平面晶样品中还观察到了预马氏体相变，然而在胞状晶和树枝晶中预相变被完全抑制。对胞状晶样品进行773K低温热处理，凝固形貌和相变特征均没有明显变化，预马氏体相变依然被抑制。在1173K高温均匀化热处理后，胞状晶和树枝晶形貌消失，得到了与平面晶类似的形貌，而且出现了预马氏体相变。成分分析表明，平面晶中成分分布均匀，而胞状晶和树枝晶中存在较大的成分起伏，从而造成原子无序，进而导致奥氏体晶格局域畸变，其产生的局域应变抑制了势垒较小的预马氏体相变。
在Ni50+xMn25-xGa25 (x=0-4)合金中获得了马氏体相变、预马氏体相变、孪晶界移动的内耗行为，揭示了三种内耗行为的成分和频率相关性。在x=0-4的成分范围内均观察到了马氏体相变的内耗峰IFMT。随着Ni含量增加，马氏体相变内耗峰峰位升高。0≤x≤2时，在马氏体相变温度以上，约260K附近，奥氏体相呈现出来源于预马氏体相变的内耗峰IFPMT。0.5≤x≤2时，在马氏体相变温度以下，约220K附近，低温马氏体相具有因孪晶界移动造成的内耗峰IFTBM。IFPMT和IFTBM峰位均与成分无关，而IFTBM与马氏体结构相关。当马氏体相变温度在270K以上时（2<x≤4），发生中间马氏体相变，伴随有内耗峰IFIMT。内耗峰的频率相关性研究表明，随振动频率增大，IFMT和IFTBM的峰位不变，峰值下降，而预马氏体相变的内耗峰峰位和峰值均不随频率变化，表现出完全的频率无关性。这是由于预相变属于非界面移动过程，而马氏体相变和孪晶界移动是典型的界面移动过程，从而导致其内耗行为差异。
明确了不同凝固形貌Ni50.5Mn25Ga24.5合金的相变内耗行为，发现具有胞状晶凝固形貌的样品马氏体相变内耗峰呈现出反常的频率分散性。与平面晶相比，胞状晶的马氏体相变内耗峰明显宽化。在胞状晶样品中只观察到了马氏体相变内耗峰，没有发现孪晶界移动内耗峰，尤其是，马氏体相变内耗出现了不符合一级相变特征的频率分散性，即随着振动频率增加，相变内耗峰向高温移动并且峰值减小。均匀化热处理后，胞状晶凝固形貌消失，马氏体相变内耗峰向高温移动，不再具有频率分散性，同时出现了孪晶界移动内耗峰。通过对比实验，我们认为，胞状晶凝固形貌中马氏体相变内耗峰与孪晶界移动内耗峰的耦合，可能造成了其内耗峰的频率分散性。