东北大学《Scripta》磁性形状记忆合金的马氏体稳定性及物理性能

超磁性形状记忆合金是执行器和传感器的潜在候选材料。特别是Ni-(Co)-Mn-In合金具有大约3%的输出应变和超过100MPa的输出应力，伴随着巨大的磁热效应等。这些优异的综合性能在磁驱动和磁制冷等实际应用中具有重要意义。根据化学成分的不同，已证明三元合金中的马氏体相分为两大类，即调质和非调质(NM)，调质马氏体主要包括斜方四层(4O)、单斜五层(5M)、单斜六层(6M)和单斜七层(7M)结构。磁场诱导的形状记忆效应仅在调质马氏体中实现。然而大量研究表明，随着外部条件的变化，调质马氏体进一步转变为NM马氏体，调质马氏体的亚稳定性限制了这些合金的应用。因此，许多研究致力于拓宽调质马氏体温度范围。到目前为止，还没有关于第一性原理计算研究的Ni-Mn-In合金中5M和7M马氏体相稳定性的 道。

来自东北大学，燕山大学等单位的研究人员通过第一性原理计算和实验研究了Ni50Mn35In15合金中5M和7M调质马氏体的相稳定性和相关物理性能，可以根据状态密度和微分电荷密度分析来确定相的稳定性。相关论文以题为“5M and 7M martensitic stability and associated physical properties in Ni50Mn35In15 alloy: first-principles calculations and experimental verification”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114140

本研究通过定向凝固制备了名义成分为Ni50Mn35In15的多晶样品。为了使合金成分均匀，样品在氩气环境下进行1173K×24h退火（水淬）。为了确定晶体结构，将合金研磨成粉末并密封在真空石英管中进行873K×5h退火。

研究发现具有亚铁磁性（FIM）的5M和NM马氏体的能量低于其FM态的马氏体，其他相正好相反。这表明奥氏体（A）和7M相表现出铁磁性，而5M和NM马氏体是亚铁磁性。通过计算得知形成7M马氏体所需能量低于5M和NM马氏体。这意味着5M马氏体是亚稳态相，而7M马氏体是热力学最稳定的相。一般认为调质马氏体有很大的趋势最终转变为NM马氏体。

图1 不同相的结构示意图以及磁性配置

图2 不同马氏体状态下的各项实验结果

图3 不同相的磁矩及密度

根据实验结果和第一性原理计算，可以确定7M马氏体是Ni50Mn35In15合金中最稳定的相。这也与原位TEM的结果一致。Ni原子不仅与MnMn键合，还与MnIn键合。与NM马氏体相比，7M马氏体的Ni-Mn结合强度有所提高。Jahn-Teller效应和Ni-Mn键合能力都有助于形成最稳定的7M马氏体。