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铁磁形状记忆合金马氏体变体重取向及其多场耦合行为研究

作　者: 李芳
导　师: 王省哲
学　校: 兰州大学
专　业: 固体力学
关键词: 铁磁形状记忆合金磁致应变马氏体变体重定向多场耦合行为磁畴与微结构
分类号: TG139.6
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
下　载: 37次
引　用: 2次
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内容摘要

铁磁形状记忆合金(Ferromagnetic Shape Memory Alloys,简称FSMAs)作为一种新型智能材料,在新近十余年中受到了国内外学者的广泛关注与研究兴趣。铁磁形状记忆合金材料具有大磁致应变、高响应频率、磁控形状记忆效应等优越特性,其作为一种潜在的智能驱动和传感材料具有广阔的应用前景。铁磁形状记忆合金的磁致大应变行为并不是由于其内部奥氏体相到马氏体相的相变所导致,而是在室温下其内部不同马氏体变体间的结构重排或重定向而导致的磁-力耦合行为。本文分别从宏观和细观的角度出发,针对铁磁形状记忆合金马氏体变体重定向与大磁致应变输出等行为,建立了马氏体变体重定向的宏观动力学模型以及细观热力学模型,并对其力磁耦合、力磁热多场耦合行为进行了理论分析和数值模拟。首先,基于宏观连续介质热力学的张量表述形式,本文建立了一个宏观重定向动力学模型,来描述铁磁形状记忆合金在力-磁-热多场耦合下的马氏体变体重定向行为。模型从不同马氏体变体间孪晶界处的热力学基本方程出发,得到了驱动孪晶界移动的广义驱动力。基于相变动力学相关知识和能量耗散原理得到了描述马氏体变体重定向过程的动力学演化方程。文中所建立的宏观理论模型不仅可以描述铁磁形状记忆合金力-磁耦合情形下,铁磁形状记忆合金杆在马氏体变体重定向过程中的应力-应变本构行为和磁致应变行为,而且考虑了温度对重定向过程的影响,基于温度对其磁化强度、最大重定向应变以及重定向发生的临界磁场的影响,给出了力-磁-热多场情形下的马氏体变体重定向行为与耦合特征。其次,伴随着铁磁形状记忆合金马氏体变体重定向过程,在材料内部有着丰富的微磁结构以及磁畴结构的演化。最新的一些实验观测表明：铁磁形状记忆合金在马氏体变体重定向的过程中,对于磁化方向与外加磁场方向正交的变体,其内部磁畴结构的变化是由于磁化矢量的旋转,而磁化方向与外加磁场方向平行的变体,其内部磁畴结构的变化则是由于磁畴壁的移动。然而目前尚未有给予该现象解释的理论模型,为了解释上述的实验现象,我们建立了一个描述铁磁形状记忆合金内部磁畴结构特征与变化的微磁热力学统计模型。模型给出了各个马氏体变体中磁畴内部的总势能表述,通过定义磁畴间的Gibbs自由能差为驱动磁畴壁移动的广义驱动力以及基于统计学方法,获得了马氏体变体内各个磁畴体积分数的表达形式,合理解释了不同马氏体变体内磁畴微结构变化机理和实验现象。再次,我们从细观角度建立了一个细观热力学模型来描述铁磁形状记忆合金在力-磁耦合作用下的马氏体变体重定向行为。基于传统的细观力学Eshelby等效夹杂理论和Mori-Tanaka平均场方法,将铁磁形状记忆合金马氏体变体的重定向看作为一种马氏体相夹杂于另一种基体马氏体相,进而给出了马氏体变体重定向过程中铁磁形状记忆合金材料内部的应力、应变的表达式；获得了驱动马氏体变体间孪晶界移动的广义驱动力和关于马氏体变体体积分数的热动力学平衡方程。基于此模型预测了马氏体重定向发生的临界应力和磁场值,并通过磁化旋转结束的临界磁场与模型预测的重定向开始发生和结束的临界磁场的关系,解释了马氏体重定向部分发生和完全不发生的机理,相关力磁耦合行为的预测结果与实验结果有很好的吻合。最后,我们将马氏体变体内部磁畴结构变化的热力学统计学模型与细观力学相结合,构建了一统一的广义细观热力学模型。该模型考虑了马氏体变体重定向过程中的微磁结构特征与演化,获得了与磁畴体积分数、磁化旋转角相关的孪晶界移动的广义驱动力,以及马氏体变体体积分数的热动力学平衡方程。通过将理论预测结果与实验结果的对比发现,本文的模型可以给出与实验结果吻合良好的预测结果,同时说明了铁磁形状记忆合金内磁畴结构的变化对准确描述马氏体变体重定向行为的重要性。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-28
  1.1 铁磁形状记忆合金(FSMAs)材料简介  10-21
    1.1.1 铁磁形状记忆合金材料的基本特性  11-12
    1.1.2 磁致大应变效应与机制  12-14
    1.1.3 磁控形状记忆效应及机制  14-17
    1.1.4 温度对马氏体重定向行为的影响  17-19
    1.1.5 马氏体重定向过程中的磁畴结构特征  19-21
  1.2 FSMAs马氏体变体重定向力磁耦合行为的研究现状  21-26
    1.2.1 细观理论研究概况  21-23
    1.2.2 宏观理论研究概况  23-26
  1.3 本文工作  26-28
第二章 FSMAs马氏体变体重定向动力学模型  28-51
  2.1 马氏体变体重定向的动力学理论  28-34
    2.1.1 孪晶界移动的广义驱动力  28-30
    2.1.2 热力学通量的选择  30-31
    2.1.3 动力学演化方程  31-33
    2.1.4 本构关系  33-34
  2.2 力-磁耦合退化模型在一维FSMAs杆中的应用  34-42
    2.2.1 退化的力-磁耦合动力学模型  35-37
    2.2.2 数值模拟结果与讨论  37-42
  2.3 力-磁-热耦合退化模型在一维FSMAs杆中的应用  42-50
    2.3.1 力-磁-热耦合下的简化理论模型  43-45
    2.3.2 数值模拟结果与讨论  45-50
  2.4 本章小结  50-51
第三章 FSMAs马氏体变体重定向过程中的磁畴微结构演化  51-61
  3.1 磁畴微结构特征及演化  51-57
    3.1.1 磁畴微结构的演化模型  53-55
    3.1.2 数值模拟结果及讨论  55-57
  3.2 磁畴结构变化对马氏体重定向行为的影响分析  57-60
  3.3 本章小结  60-61
第四章 FSMAs马氏体变体重定向的细观热力学模型与分析  61-86
  4.1 复合材料细观力学基本理论简介  61-67
    4.1.1 Eshelby等效夹杂理论  62-65
    4.1.2 Mori-Tanaka场平均方法  65-67
  4.2 FSMAs马氏体重定向行为的细观热力学模型  67-75
    4.2.1 马氏体重定向过程中的细观力学理论  67-69
    4.2.2 力-磁耦合系统的热力学本构模型理论  69-72
    4.2.3 正交磁场与应力场作用的FSMAs细观热力学模型  72-75
  4.3 模型应用及讨论  75-84
  4.4 本章小结  84-86
第五章基于磁畴微结构特征的FSMAs广义细观热力学模型与分析  86-105
  5.1 细观热力学理论模型  86-97
    5.1.1 磁畴微结构演化过程中的热力学描述  86-91
    5.1.2 FSMAs马氏体重定向过程中的热力学描述  91-97
  5.2 模型应用及讨论  97-104
  5.3 本章小结  104-105
第六章总结与展望  105-108
  6.1 本文主要结论  105-107
  6.2 研究展望  107-108
参考文献  108-118
在学期间的研究成果  118-119
致谢  119

铁磁形状记忆合金马氏体变体重取向及其多场耦合行为研究

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