1、| 維普資訊 h ttp:/第23卷第&期2007年6月Vol. 23 No. 6June,2007商丘師范學院學報JOURNAL OF SHANGQIU TEACHERS COLLEGE磁場對NiMnGa單晶預相變溫度的影響崔玉亭(商丘師范學曲物理與信息工程系*河南商丘476000)摘要：列用應變謝量研完了外加恆定磁場對NiMnGa單晶預相吏湛圧的梅響，哎現外加磁場使預相轟溫度尙 低溫方向海移.而且預相圭溫座煤移的程度與外加磁場的方向衣關.孩據前人的撲型和我捫時電于顯擷叢觀秦，目 前的站呆證變預相變過租中存在較強的犍彈相蔓作用；皆幵加磁場分別沿黑怵的001和010兩個蓍價的品抽方 向

2、時010方向上罕致的蛾彈相互作用更強一關鍵詞】馬氏體相直；預馬氏體相變；蕩度；堿彈相互作用中團分類號:TF125.M文就標識碼：A 文章編號：1672 - 3600(2007)0*5 -0052 -03Influence of the magnetic field on the premartensitic phasetransition temperature of NiMnGa single crystalsCUI Yu-ting(Departmenl nf Physics,ShAnqiu Teach亡ts Colley ,Shangiu 476000,China)Abstract ：Th

3、e influence of the exicmal magnetic field on the prcmsrtensitic phase Iransitiori temperature of NiMnGa single crystals is inveligated by (he strain measurements It is (bund thal the premartensitic phase transition lemper- ature shifts down (o lhe low lemperaiure when an external magietic is applied

4、 in measuring processed the magnitude of lhe lemptralure 8hift is dependence on the direction of the external mancLic field. According to a previous model and cur observalion of the TEM 舁he present results confirm that the magnetoehstic interaction exists strongly during the premartensitic Lransitia

5、nt and the magnitude of the tnagnetaelaslic interaction in the . 010 . direc lion is stronger than that in the 001 directionKey words: maflen&iti transformation ； pn?martensitic transition temperature ； nriagnetoelaslic interacdaTi0引言郝斯勒(HEird費)合金NiMnGa是同時具有鐵磁性和熱弾性馬氏體相變的金屬間化合物，由于該材料表 現岀相當強的鐵磁性、磁

6、晶各向異性、溫度誘發的雙向形狀記憶效應和較大的磁感生應變，近兒年來已成為 十分熱門的新型功能材料研究對象U正配分比NhMnGa室溫毎相為£2,立方結構，材料的居里溫度在 376 K附近，降低溫度，在202 K發生馬氏怵相變，形成七仏二。94四方結構馬氏休相,隨后升髙溫度，馬氏體 相又可以通過逆相變轉變成母相'兩亍相變的熱滯后大約10 K.如果適當改變材料的組分,在仍保持材料 的込晶依結構不變的情況下其馬氏體相變溫度他可在70 - 400 K的范圍內變化除此之外， NiMnGa合金另一個引人注目的特點是對于某些近正配分比的材料在馬氏體相變前出現先行效應，即發生 所謂的預馬氏休相

7、變，由于預相變包含著深刻的物理機制，近年來倍受人們的關注I'U本文通過不同大 小、不同方向議場下預相變應變測量的結杲并結合電鏡觀察，分析了預相變產生的機制*逬而對磁場沿收稿日期；2007 - 03 -12墓金頊目価家自然科學基金(60572001)資助項H和河南省丹于教師培養對象(2005)資助項廿作者簡介:崔玉亭門箔M-人男*山東單縣人，商丘師范學院教授，韓上.主要從事特種金屬功能材料的物性及相關問題的研究.第&期崔玉亭:磁場對NiMnG-單晶預相變溫度的影響53001和010兩個晶體學方向所導致的預相變溫度漂移程度的差別等，進行了分析和討論*1實驗合金的原料是純度為99.9

8、5%的Ni,血 和伽單質金屬.所研究的單晶禪品的組分為N*川n“G畑, 該單晶利用MCG5-3設備,采用提拉送在高純戴氣中沿001方向生長：6其生長參數為:生長速率為出- 30 mm/ht籽晶桿轉速為30 rpm.主怏后的單晶用電弧線切割方法切成側面為| 100面的1 nmi英6 nnu x 6 mm的薄片樣品用于應變測量，單晶的取向由X射線背反射“応法確定，以使四方薄片樣品的兩垂直四方 邊分別平行于001和0W方向應變測暈采用標準形變電阻方法升、降溫速率為L2 K/miii.預相變過程 中晶休的微結構采用電子顯微鏡（TEM）觀察.2結果和討論圖1是降升溫過程中、樣品在自由狀態下（無外場八沿樣

9、品的001 方向測就得到的應變隨著溫度變彳匕 的關系曲線*從實驗曲線可以看出，在降溫過程的伽= 123 K處，林料發生馬氏體相變，繼續冷卻,樣品在 001方向收黯,馬氏休相變引起的形礎量達-6200 ppm（負號代表收編）一在隨后的升溫過程中，在 = 130 K發生馬氏體逆相變'繼續升溫到 = 133也樣品回復到馬氏體相變前的情況，表現出近乎完全的雙向形狀 記憶效應馬氏體相變的熱滯后兮-起=10 K,特征了一個典型的一級柑變.號外，正如圖中箭頭所示 在降溫過程的耳（=202 K）和升溫過程的206 K,應變隨溫度的變化關系曲線上分別有一個類似"-形峰的 應變突變,分別對應著正

10、、逆預馬氏體相變（預相變）預相變的熱滯后尸爼斗匕表朝預相變也是一級相變. 圖2插圖給出了降、升溫過程預相變點附近一段溫度區闊的應變隨著溫度變化的關系曲線可以清楚地看出 自由（無外加載）預相變應變非常小，沿001方向的應變量約為- 160 ppm,僅為該材料馬氏體相變應變的1/40.-7100150200250300溫度打K0 1 2 3 4 5 6 一 一一 - uldcl.cw熾蟄溫度"K圖1 Wgg 單晶降、升溫過程 中應變隨溫度變化的關系曲線Fig+ 1. Tempeniture dependence of straiji up coaling and up heating (

11、or Ni 叫* 厶心盤劭 single crysial其它近正配分比NisMnGa材料的彈性模區、磁化強 度刈、中子敬射測量【眄、交流磁化率【噸和X射線【兇表明預 馬氏休相變是非常弱的一級相變，起源于軟化的TA2橫向聲 子與磁子間的磁彈耦合.比較馬氏體相變應變和預相變應變, 我們的實驗結果從這一側面也說明了 NiMnGo鐵磁形狀記憶 合金的預相變是非常弱的一級相變對Ni.MnC晶體進行的 Monte Carlo模擬指出如果這種磁彈耦合足夠強相關到 瑠z軟模的原子位移可械凍結從而形成新相Korkorin等人 的電子顯微撓觀察M發現,這種軟模疑結的結果導致預 馬氏休郴（從T,到朋）的晶格發生扭曲

12、，但晶體的立方對稱 性保持不變由于對應 % 軟模凝結的靜態原子位移在宏觀 上相對三個晶軸方向的等價性，通常難以觀察到預馬氏體相 變產生的應變.Korkorin等人曾報道在正配分比Ni.MnCa 單晶中觀察到預馬氏體相變導致的形變，但他們的樣品被施 加了一個17.6 MPa的壓應九在Nitt iMnM sCaB自由單晶樣 品中之所以觀察到預相變應變,我們認為這與單晶母相存在 的取向內應力有關實驗表明提拉法生長單晶過程中因沿生 長方向的溫度不同于與之垂直的方向定向凝固將在晶休內 引人一定大小的取向內應力閻，該取向內應力可誘導馬氏休 變休沿生長方向擇優取向，導致樣品沿生長方向收縮（也見圖1）.因此我

13、們有理由相信晶體內的這種取向 內應力，正如外加應力的作用一樣，干預了軟模凝結.導致對應Th,軟模擬結的原子位移在某一晶體學方向 匕更易發生,或在某晶體學方向上這種原子位移遢相應較大，宏觀上導致樣品沿001方向收縮引起形 變+溫度TV監圖2：降溫過程中不同磁場下（XH 方向的應孌隨隘度變化的 關系曲線畀町：磁場沿1001方向江町：磁場沿況們方向Fig. 2 Temperature dependence of strain the 00】direction up cooling t圖玄樣品取向、應變測撮方向與外加磁場方向間的取向關系Fig. 3卩 Relative orientation of t

14、he sample t measunngdunection and. applied magnetic Held directionwith the magnetic field, applied along the |_001 (a)and 010 ( b) directionf respectively保持應變測董方向不變（即應變測量始終沿晶休的001）,研究不同大小、不同方向外加恒定磁場對預 相變特性的影響圖2顯示了兒亍預相變點附近、在降溫過程中、測疑得到的不同磁場下預相變應變隨溫度 變化的曲線*其中圖2（時所加外磁場沿晶體的001方向（即沿應變測量方向）圖2（b）所加外磁場沿晶休 的0

15、10方向（與應變測量方向垂直圖3給出了樣品、應蠻測量和磁場取向之間的關系所有的測址過程 中，溫度的變化都是從室溫降溫到力K,然后再升溫到室溫，以保持毎次測量時樣品所經歷的溫度變化過程 一樣從圖2可以看出，外加磁場對預相變特性有較大的影響且影響的程度與外加磁場的方向有關沿 001方向施加磁場隨著外加磁場的增大,預相變應變量的增大（樣品沿001方向進一步收縮卄當外加磁 場沿010方向時，隨著外加磁場的增大，預相變應蠻註逐漸減小（樣品沿001方向膨脹無論厳場沿 001還是沿010方向，隨著磁場的增大，預相變溫度都降低圖4給出了預相變溫度Tp與外加磁場的關 系.其中曲線3）和（b）分別對應著外加磁場沿

16、001和010方向從圖4可以看出，隨著外加磁場的增大, 預相變溫度降低的很明顯；當外加磁場迖到一定值疳繼續堆犬磁場，預相變溫度降低的程度越來越小，趙于 飽和此外，從圖4可以清楚地看出，頊相蠻溫度降低的程度及其趨于飽和的飽和場與外加磁場的方向也有 關系+當磁場沿001方向時迅-H曲線（即圖4曲線心）的飽和場約為2 5kOe；而磁場沿010方向時 （圖4曲線（b）相應的飽和場卻高為3.5kOe.在相同的磁場下（如3 kOe）.所加外磁場沿Ml 方向時預相 變溫度從零場冷卻下的202K下降到199K,約下降了 3K；而當外加磁場沿著0】D方向時"預相變溫度相應 地下降了 4. 2 1C這種

17、不同方向魅場對預相變溫度特性影響程度的不同，同樣反映在預相變應變特性上從 圖2也可看岀，沿晶體的0L0方向施加同樣的外加磁場比沿001方向施加相同的磁場對預相變應變量的 影響更大些冽如，在3 kO亡的DID方向的磁場下，預相變應變量從零場下的-160 ppm變化到-50 ppmt 變化董約為HO ppm；而沿001方向施加同樣大小的磁場，相應的變化量約為85 ppm.以上實驗結果表明， 外場中預相變特性的變化不但與外加磁場的大小有關，而且與外加磁場的方向有關.從熱力學的觀點卜加磕場作為一個獨立的變站，正如溫度一樣改變f NiMnGa合金系統的自由能"依 據師人的研究結果山，鐵磁合金的

18、預馬氏體相的自由能可以寫為：（1） 這里Ft為弾性能、幾,為磁能f訶為磁彈相互柞用能.通常，磁能可以簡單地表示成：= K- MH（2）第&期竄禾亭:犠場對JNiMnGa凱晶預相確溫度的影響這里，耐是晶體的磁化強度丹是外加磁場*K 是磁晶各向異性常數施加磁場，塞曼龍（就甘）的增加系 統的白由能將減小.由于外加磁場對預相變的作用類似 于水靜壓和外加應力，因此，外抽磁場將導致預相變溫度 Tp升高.然而，依據朗道理論】預相變是聲子和電子自 旋間磁彈性相互作用的結果，而磁彈相互作用能九工 因此，施加磁場在增加塞曼能的同時增加了磁彈相 互作用能,而磁彈相互件用的增加將導致預相變溫度- 降低.目前的

19、實驗顯示外加磁場導致了預相變溫度Tt,降 低，說明外磁場下蹇曼能和磁彈相互作用能競爭的結果 足磁彈相互作用能起著主導作用.202>0246810 12 14 1& 18fiftJSW/kQeI趙場沿【00“方向201 I鍛場沿0KJ方向從晶體學的觀點，單晶中的001方向和010方向 是完全等價的，因此沿這兩個方向分別施加相同大小的 磁場,導致的預相變溫度的漂移及預相變應變量的改變 是相同的然而圖2的實驗結果卻并非如此，表明在晶體圖4降溫過釋中預相變溫度隨磁場空化的關察曲線一F1 勵 4. Premartensitic transition temperature as a fun

20、c- lion of the mugnelic field原本等價的001和010方向間出現了各向異性為了進一步表征這種各向異性，我們在預相變過程中不同溫度處利用TEM對材料的品體結構進行了觀察圖5是降溫過程中、沿100帶軸（如皿axi叮、在預相變 溫度附近的220 K和63 K觀察到的TEM圖像前人【戊叫對NiMnCa晶休沿<100、方向的TEA1觀寤結果表明，隨著溫度的降低，主衍射斑點周圍的彌敞拖影（dise shaking）強度增強；當溫度低于7；,這些彌散拖 影發展成對稱圉繞主布拉格衍射斑點的衛星斑因此，他門建議在預相變溫度Tp以上，晶體內存在著些隨 機取向的應變坯芽（stmit

21、i embryo）；在Tp以下,材料形成了微調制的疇結構（即形咸了預馬氏體相）.從我們 圖予的實驗結果可以看出，近主衍射斑點的彌散拖影也是隨著溫度的降低而逑漸增強的，但這些彌散拖影的強度在不同方向上差異理大.*011方向上彌散拖影可以非常明顯地皴觀察到，并隨著溫度的降低其強度 逐漸增強的;然而，在oil方向上彌散拖影很難被觀察到+這表明在我們研究的吆單晶樣品 中在預相變過程中，這些所謂的應變坯芽不是隨機取向的，而是擇優取向的其原因正如前述是提拉法生怪的單晶中的取向內應力導致了應變坯芽的擇優取向.換言之即取向內應力干預了軟模凝結，導致對應TA2軟模凝結的原子位移在某一晶休學方向上更易發生顯然.由

22、于這種應變坯芽的擇優取向，必然導致樣品沿某一晶體學方向收編或伸長，同時導致在原本等價的晶休學方向何產生各向異性.圖5-降溫過程申在220K(a)和160£(h)得到的電子衍射圖像Fi申 5. Electmn difTraclicn patterns taken at 220K(a)and 160K( b) ( 001 : rone axisi)3結語和用應變測量研究了外加磁場對鐵磁形狀記憶合金預相變特性的影響.實驗發現外加56商丘師范學院學報2007年磁場總是使預相變溫度單調地向低溫方向漂移,證實了預相變過程中存在著較強的磁彈相互作用實驗也發 現對晶體的001和010兩個等價的晶體學

23、方向當外加磁場沿010方向時，導致的預相變溫度漂移迅 速，表明在晶體010方向上磁彈相互作用更強,也說明預相變在原本零價的晶體學方向間產生了各向異 性預相變過程中晶休內存在的這種各向異性進一步被TEM觀察所驗實結合前人的工作和我們的實驗結 果，這種各向異性被歸結為晶怵內存在的取向內應力導致的應變坯芽的擇優取向.參琴文截：:1 Murray S Jt MsrionL M , Allen S M , ct ah 69fc magnclic - field - induced strain by Lwim - boundur1 motion in (eiromagnetic Ni -Mn-Ca J

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