● 摘要
NiMnGa合金的单晶具有优良的力学性能、形状记忆性能和热稳定性，是综合性能良好的低成本高温形状记忆合金。但是其多晶的脆性严重影响了实际应用。通过添加第四组元，引入复相组织，可以有效提高韧性，改善力学性能。本文以具有较高相变温度的Ni56Mn25Ga19合金为基础，分别制备了Fe取代Ni、Mn和Ga的Ni56-XMn25FeXGa19(X=2，4，6，8)，Ni56Mn25-XFeXGa19(X=2，4，6，8，10)和Ni56Mn25FeXGa19-X(X=2，4，6，8，10，13，16，19)合金。采用金相、扫描电镜、能谱成分分析、DSC、热膨胀测试等试验方法，系统的研究了Fe元素的加入对NiMnGa合金组织结构、相变特性、力学性能及形状记忆性能等的影响规律。结果显示，Ni56Mn25Ga19合金为单一的非调制马氏体组织，Fe取代Ni不会使其结构发生变化。而用Fe取代Mn时，Fe含量低于6原子比时合金保持非调制马氏体结构，而Fe含量达到6原子比时，在晶界处会出现γ相，该γ相为类似Ni3Fe的立方结构，与基体相比为富Ni富Fe低Mn低Ga的成分，其体积分数随Fe含量的增加而增多。Fe取代Ga时同样会在合金中引入具有类似结构的γ相，不过γ相在Fe含量为2原子比时就出现，且其体积分数增加较快，最终会使马氏体相完全消失。Fe取代Ni和Mn使合金的马氏体相变温度单调下降，而取代Ga则先使合金的相变温度上升而后再单调下降；当用Fe取代Ni时，平均每增加1原子比Fe其马氏体相变温度约降低40℃，取代Mn时，每1原子比Fe约使相变温度约降低20℃；取代Ga时，每1原子比Fe约使相变温度约降低13℃。其中单相的Ni56-XMn25FeXGa19系列合金的相变温度与电子浓度e/a值呈正比，而复相的Ni56Mn25-XFeXGa19、Ni56Mn25FeXGa19-X系列合金的相变温度的变化则受到电子浓度、晶格常数和γ相分布等多种因素的综合影响。在Fe取代Ga时，在马氏体相变温度之上还出现了一个新的一级相变，经分析认为这是L21和B2结构间的有序度转变。 单相的Ni56Mn25Ga19 和Ni52Mn25Fe4Ga19合金的强度和韧性均较差，Ni56Mn25Ga19合金的屈服强度、抗压强度和压缩变形率分别约为100MPa 、650MPa 和12％；但其形状记忆性能较好，压缩率为10％时，其形状记忆效应达到5％左右。因合金化的作用，同为单相的Ni56Mn21Fe4Ga19合金屈服强度提高到250MPa，形状记忆效应保持在4.4％，但韧性没有明显提高。而复相的Ni56Mn19Fe6Ga19和Ni56Mn25Fe2Ga17合金强度和韧性比单相合金有很大提高，Ni56Mn19Fe6Ga19合金的屈服强度、抗压强度和压缩变形率分别达到250MPa、2250MPa和38%；但同时其形状记忆效应也明显降低，压缩率为10％时其形状记忆效应只有2％。另外通过包套轧制的方法，成功的将Ni56Mn17Fe8Ga19和Ni56Mn15Fe10Ga19合金轧制为均匀的板材，从轧制后板材上制得的拉伸样展现出约500MPa的抗拉强度和2.5％的断裂延伸率。并初步研究了热处理对拉伸力学性能的影响。