目 錄

第1章 緒論．．． 15

1．1 磁致伸縮材料的物理效應(yīng)．．． 15

1．1．1 線性磁致伸縮效應(yīng)（焦耳效應(yīng)）．．． 15

1．1．2 維拉里（Villari）效應(yīng)．．． 16

1．1．3 魏德曼（Weidemann）效應(yīng)．．． 16

1．1．4 魏德曼效應(yīng)逆效應(yīng)．．． 16

1．1．5 阻尼效應(yīng)．．． 16

1．1．6 ΔE效應(yīng)．．． 17

1．1．7 新材料新效應(yīng)--拉脹效應(yīng)．．． 18

1．2 磁致伸縮材料的功能特性．．． 18

1．2．1 將電（磁）能轉(zhuǎn)換為機械能的特性．．． 18

1．2．2 將機械能轉(zhuǎn)化為電磁能的特性．．． 18

1．2．3 扭轉(zhuǎn)力矩與電磁能的相互轉(zhuǎn)換．．． 18

1．2．4 將機械能轉(zhuǎn)化為熱能的特性．．． 18

1．2．5 快速鎖定與快速解鎖機械系統(tǒng)．．． 19

1．3 磁致伸縮材料的發(fā)展．．． 19

1．3．1 磁致伸縮材料．．． 19

1．3．2 磁致伸縮材料的發(fā)展．．． 19

1．4 磁致伸縮材料的種類和技術(shù)性能的比較．．． 21

1．4．1 磁致伸縮材料的種類．．． 21

1．4．2 磁致伸縮材料的性能比較．．． 21

1．5 新磁致伸縮材料在高新技術(shù)中的運用．．． 23

參考文獻．．． 24

第2章 磁致伸縮材料磁學理論概要．．． 26

2．1 磁致伸縮現(xiàn)象與磁學基礎(chǔ)．．． 26

2．2 磁學量的定義與單位制．．． 27

2．3 原子的電子結(jié)構(gòu)與原子磁矩μj 29

2．3．1 磁性的普遍性．．． 29

2．3．2 孤立原子的電子結(jié)構(gòu)．．． 29

2．3．3 電子軌道磁矩μl 31

2．3．4 電子的自旋磁矩μS 32

2．3．5 孤立原子的原子磁矩μJ 33

2．3．6 晶體中的原子磁矩．．． 33

2．4 自發(fā)磁化理論要點．．． 35

2．4．1 3d金屬與合金的自發(fā)磁化與磁有序．．． 35

2．4．2 稀土金屬的自發(fā)磁化與磁有序．．． 37

2．4．3 稀土金屬間化合物的自發(fā)磁化．．． 39

2．5 鐵磁體中的磁自由能與磁疇結(jié)構(gòu)．．． 39

2．5．1 靜磁能．．． 41

2．5．2 磁晶各向異性能EK． 41

2．5．3 退磁場與退磁場能．．． 44

2．5．4 磁致伸縮與磁彈性能．．． 46

2．5．5 磁疇壁與疇壁能．．． 46

2．5．6 磁疇的形成和磁疇結(jié)構(gòu)．．． 49

2．6 技術(shù)磁化與反磁化過程．．． 51

2．6．1 技術(shù)磁化與反磁化過程．．． 51

2．6．2 疇壁位移的磁化過程．．． 52

2．6．3 磁矩轉(zhuǎn)動的磁化過程．．． 54

2．7 交流磁場中磁化過程與能量損耗．．． 55

2．7．1 鐵磁性材料在交流磁場中的磁化特點．．． 56

2．7．2 鐵磁材料在交流磁場中的能量損耗．．． 57

參考文獻．．． 63

第3章 磁致伸縮與磁彈性．．． 65

3．1 磁致伸縮與磁狀態(tài)變化的關(guān)系．．． 65

3．1．1 直接交換作用能引起的磁致伸縮效應(yīng)．．． 65

3．2．2 外磁場中磁化產(chǎn)生的線性磁致伸縮應(yīng)變．．． 66

3．2．3 力致磁致伸縮效應(yīng)．．． 66

3．2 多晶材料線致磁致伸縮應(yīng)變λs的表述．．． 66

3．3 立方晶系單晶體的線性磁致伸縮應(yīng)變表述．．． 68

3．3．1 立方晶系單晶體線性磁致伸縮應(yīng)變的方程式．．． 68

3．3．2 磁致伸縮應(yīng)變系數(shù) 和 的測量．．． 70

3．4 彈性變形與彈性常數(shù)．．． 72

3．4．1 概述．．． 72

3．4．2 材料簡單受力的彈性變形與彈性常數(shù)．．． 72

3．4．3 復(fù)雜應(yīng)力作用下材料的彈性變形與彈性常數(shù)．．． 73

3．5 立方結(jié)構(gòu)材料的磁彈性能以及磁致伸縮應(yīng)變與彈性常數(shù)的關(guān)聯(lián)．．． 79

3．5．1 概述．．． 79

3．5．2 簡單立方晶體材料的磁彈性能．．． 80

3．5．3 體心立方晶體與面心立方晶體材料的磁彈性能Eme 81

3．5．4 立方晶體彈性能．．． 82

3．5．5 線性磁致伸縮應(yīng)變與磁彈性常數(shù)的關(guān)聯(lián)．．． 82

3．6 立方結(jié)構(gòu)鐵磁材料的應(yīng)力能與應(yīng)力各向異性．．． 84

3．6．1 應(yīng)力能的表述．．． 84

3．6．2 立方結(jié)構(gòu)材料應(yīng)力引起的各向異性．．． 86

3．7 材料磁滯伸縮應(yīng)變λs的理論值與影響實際值的因子．．． 88

3．7．1 (或 )的物理意義．．． 89

3．7．2 晶體取向因子αGO． 89

3．7．3 磁疇結(jié)構(gòu)因子βＤＯ． 90

3．7．4 γ（H/Hs）因子．．． 91

3．8 磁致伸縮材料應(yīng)用的原理和對材料的性能（技術(shù)參量）的要求．．． 91

3．8．1 磁致伸縮材料的應(yīng)用原理．．． 91

3．8．2磁致伸縮驅(qū)動棒的能量轉(zhuǎn)換原理和磁機械耦合常數(shù)k33 93

3．8．3使用對磁致伸縮材料性能的要求．．． 96

參考文獻．．． 99

第4章 稀土鐵系磁致伸縮材料．．． 100

4．1 稀土磁致伸縮材料的發(fā)展．．． 100

4．2 RFe2系材料的相圖，稀土鐵化合物的結(jié)構(gòu)與內(nèi)稟磁特性．．． 102

4．2．1 Tb-Fe、Dy-Fe、Sm-Fe二元系相圖．．． 102

4．2．2 Tb-Dy的二元相圖．．． 104

4．2．3 R-Fe二元化合物的晶體結(jié)構(gòu)和磁致伸縮．．． 105

4．3（Tb， Dy）Fe2合金的磁晶各向異性的相互補償．．． 111

4．4 TbxDy1-xFe2稀土巨磁致伸縮材料的制備與晶體生長原理．．． 114

4．4．1 概述．．． 114

4．4．2 熔體定向凝固制造單晶或取向多晶材料的技術(shù)．．． 115

4．4．3 熔體定向凝固制備軸向取向柱晶材料的原理．．． 118

4．4．4 Tb-Dy-Fe區(qū)熔定向凝固時軸向擇優(yōu)生長方向．．． 120

4．5 Tb-Dy-Fe合金的晶體定向凝固晶體軸向取向與商品巨磁致伸縮材料．．． 122

4．5．1 Tb-Dy-Fe合金單晶體磁致伸縮應(yīng)變的各向異性．．． 122

4．5．2非取向多晶與取向多晶體的磁致伸縮應(yīng)變．．． 124

4．5．3 Tb-Dy-Fe合金的[112]軸向取向的磁致伸縮應(yīng)變l112 125

4．5．4 Tb-Dy-Fe 合金的[110]軸向取向的磁致伸縮應(yīng)變l110 126

4．5．5商品稀土巨磁致伸縮材料及其特性．．． 128

4．6 稀土巨磁致伸縮材料(Tb，Dy)Fey的顯微結(jié)構(gòu)．．． 130

4．6．1 Tb-Dy-Fe三元合金的相圖和相組成．．． 130

4．6．2 Tb0．27~0．35Dy0．73~0．65Fe1．95合金鑄態(tài)的顯微組織．．． 132

4．6．3重稀土元素Tb和Dy在組成相中的分布．．． 133

4．6．4 Tb-Dy-Fe磁致伸縮材料的晶體缺陷．．． 135

4．7稀土巨磁致伸縮材料Tb-Dy-Fe的熱處理．．． 137

4．7．1概述．．． 1374．7．2 一般熱處理．．． 137

4．7．3熱處理前后材料的顯微組織結(jié)構(gòu)的變化．．． 138

4．7．4磁場熱處理．．． 139

4．8 Tb-Dy-Fe的疇結(jié)構(gòu)與磁化過程．．． 144

4．8．1 概述．．． 144

4．8．2 Tb-Dy-Fe的疇結(jié)構(gòu)．．． 144

4．8．3磁化過程與磁致伸縮應(yīng)變．．． 146

4．9預(yù)壓應(yīng)力與磁致伸縮材料的性能．．． 147

4．9．1概述．．． 147

4．9．2預(yù)壓應(yīng)力的大小對l~H曲線的影響．．． 148

4．9．3 預(yù)壓應(yīng)力大小對k33曲線的影響．．． 149

4．9．4 三種軸向取向樣品形成90°疇結(jié)構(gòu)所需的預(yù)壓應(yīng)力．．． 149

4．10其他稀土磁致伸縮材料．．． 151

4．11 Tb-Dy-Fe材料的穩(wěn)定性．．． 152

4．11．1化學穩(wěn)定性．．． 153

4．11．2環(huán)境穩(wěn)定性．．． 153

參考文獻．．． 155

第5章 Fe-Ga系磁致伸縮材料基礎(chǔ)．．． 158

5．1 概述．．． 158

5．2 Fe基磁致伸縮合金相圖．．． 158

5．2．1 Fe-Ga二元系平衡相圖與相關(guān)系．．． 158

5．2．2 Fe-Ga二元系亞穩(wěn)定（非平衡）相圖與相關(guān)系．．． 159

5．2．3 Fe-Al與Fe-Be平衡相圖．．． 160

5．2．4 Fe-Al與Fe-Ga二元系亞穩(wěn)相圖的比較．．． 162

5．3 Fe-Ga二元系存在相的總結(jié)．．． 163

5．3．1 A2相的晶體結(jié)構(gòu)．．． 163

5．3．2 B2相的晶體結(jié)構(gòu)．．． 164

5．3．3 DO3相的晶體結(jié)構(gòu)．．． 165

5．3．4 DO19相晶體結(jié)構(gòu)．．． 165

5．3．5 L12相晶體結(jié)構(gòu)（或稀Cu3Au型結(jié)構(gòu)）．．． 166

5．4 Fe-Ga合金中各種相的物理性質(zhì)．．． 166

5．4．1 晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)．．． 166

5．4．2 力學性能．．． 167

5．4．3 磁學性能與磁致伸縮性能．．． 168

5．4．4 不同相的居里溫度．．． 172

5．4．5 其他物理性能．．． 172

5．5 二元系Fe100-xGax的性能與Ga含量x的關(guān)系．．． 172

5．5．1 和 與Ga含量的關(guān)系．．． 172

5．5．2 其他性能與Ga含量的關(guān)系．．． 175

5．5．2．1 飽和磁極化強度Js與Ga含量x的關(guān)系

5．5．2．2 磁晶各向異性常數(shù)K1和K2隨x的變化

5．5．2．3 居里溫度Tc與點陣常數(shù)a與x的關(guān)系

5．5．2．4 彈性常數(shù)-b1和c＇與Ga含量x的關(guān)系

5．5．2．5 彈性性能，拉脹行為與Ga含量x的關(guān)系

5．5．2．6 超精細場hf與Ga含量的x關(guān)系

5．6 Fe-Ga合金的相轉(zhuǎn)變與相識別．．． 183

5．6．1 討論Fe-Ga合金相變的必要性．．． 183

5．6．2 富Fe區(qū)（x=5-35at．%Ga）相轉(zhuǎn)變的特點．．． 183

5．6．3 富Fe區(qū)（x=5-35 at．%Ga）Fe-Ga合金的恒溫相變過程．．． 184

5．6．4 富Fe區(qū)（x=5-37 at．%Ga）合金以不同速度冷卻的相變．．． 186

5．6．5 Fe-Ga合金中存在多種相的識別．．． 188

5．6．5．1 A2相與DO3相的識別

5．6．5．2識別A2相與DO3相的實例

5．7 A2相固溶體的微結(jié)構(gòu)．．． 196

5．7．1 研究A2相固溶體的微結(jié)構(gòu)的必要性．．． 196

5．7．2 Fe-Ga合金A2相固溶體的微結(jié)構(gòu)的特征和研究手段．．． 197

5．7．3 用HRXRD和高能透射XRD技術(shù)研究A2相固溶體結(jié)構(gòu)的不均勻性．．． 198

5．7．4 A2相固溶體結(jié)構(gòu)不均勻性的本質(zhì)．．． 201

5．7．4．1 A2相中的短程序（SRO）

5．7．4．2 A2相中的共格或非共格納米DO3沉淀

5．8 Fe-Ga合金磁致伸縮應(yīng)變與成分、顯微結(jié)構(gòu)及磁彈性的關(guān)系．．． 207

5．8．1 決定A成分區(qū)內(nèi) 的變化與第一個峰值的主要因素．．． 207

5．8．2 決定B成分區(qū)內(nèi) 的變化的主要因素．．． 208

5．8．3 決定C成分區(qū)內(nèi) 及第二個峰值的主要因素．．． 209

5．8．4 決定D成分區(qū)內(nèi) 變化的主要因素．．． 212

5．9 第三組元添加對Fe-Ga單晶合金磁致伸縮性能的影響．．． 213

5．9．1 概述．．． 213

5．9．2 少量添加間隙原子（C、N、B）對Fe-Ga合金單晶體性能的影響．．． 213

5．9．3 添加取代Ga的金屬元素對Fe-Ga合金單晶樣品性能的影響．．． 216

5．9．4 添加過渡族金屬元素對Fe-Ga-M合金性能的影響．．． 219

5．10 Fe-Ga合金單晶體的疇結(jié)構(gòu)．．． 221

5．10．1 研究磁疇結(jié)構(gòu)的目的．．． 221

5．10．2 樣品制備方法對MFM磁疇結(jié)構(gòu)的形貌的影響．．． 221

5．10．3 決定Fe-Ga合金磁疇結(jié)構(gòu)的因子．．． 225

5．10．3．1 能量因子

5．10．3．2 多晶體那個晶體取向因子和應(yīng)力分布因子對疇結(jié)構(gòu)的影響

5．10．4 觀察磁疇方法（技術(shù)）的選擇．．． 226

5．11 Fe-Ga合金織構(gòu)表述．．． 229

5．11．1 鐵基合金單晶體磁致伸縮應(yīng)變的各向異性和材料的織構(gòu)．．． 229

5．11．2 材料織構(gòu)的表述．．． 230

5．11．2．1 極圖

5．11．2．2 反極圖

5．11．2．3 材料中幾種代表性織構(gòu)

5．11．3 晶體取向分布函數(shù)（ODF）．．． 232

5．12 Fe-Ga材料應(yīng)力退火處理和磁場退火處理．．． 234

5．12．1 應(yīng)力退火處理工藝．．． 234

5．12．2 應(yīng)力退火對Fe-Ga合金磁滯伸縮性能的影響．．． 235

5．12．3 Fe-Ga應(yīng)力退火處理感生的單軸各向異性的來源與模擬計算．．． 239

5．12．3．1 應(yīng)力退火處理感生的單軸各向異性的來源

5．12．3．2 應(yīng)力退火處理單晶棒狀樣品性能的模擬計算

5．12．4 Fe-Ga合金的磁場退火處理．．． 244

5．12．4．1 磁場退火工藝

5．12．4．2 Fe-Ga磁場退火后形成的單軸各向異性

5．12．4．3 樣品單軸各向異性常數(shù)的確定

5．12．5 Fe-Ga合金磁場退火與應(yīng)力退火結(jié)果的比較．．． 247

5．13 Fe-Ga磁致伸縮材料性能的壓力效應(yīng)

5．13．1 研究壓力效應(yīng)的必要性

5．13．2 Fe-Ga合金單晶體晶向的壓應(yīng)力效應(yīng)

5．13．2．1 λS0 取向多晶鈷鐵氧體材料．．． 334

強度非取向多晶鈷鐵氧體材料．．． 334

參考文獻．．． 334