D0I:10.13374/i.issnl001t03.2009.10.004 第31卷第10期 北京科技大学学报 Vol.31 No.10 2009年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0t.2009 硼和铬对多晶Fes3Ga17合金磁致伸缩和室温力学性能的 影响 李纪恒高学绪朱洁李洁张茂才 北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京100083 摘要研究了添加B和Cr对多晶Fe83Ga17合金磁致伸缩和拉伸力学性能的影响.结果表明：在Fe8sGa17合金中添加原子分 数1%的B,不仅提高了合金的磁致伸缩性能，而且还大幅提高了合金的室温力学性能，抗拉强度达到548MPa,延伸率达到 3.56%.B元素以F2B相的形式偏聚在晶界，细化了合金晶粒，增加了合金晶界结合力，抑制了沿晶脆断.添加原子分数2% 的Cr,Cr固溶在Fe83Ga17合金中，同时提高了合金的磁致伸缩性能和室温力学性能，(Fe83Gar7)%Cr2合金最大磁致伸缩系数达 到7×10-5，延伸率也较Fe83Ga17合金有所增加，达到0.6%. 关键词铁镓合金：硼：铬：磁致伸缩：力学性能 分类号TG132.27:TG113.25 Effect of boron and chromium on magnetostriction and mechanical properties of polycrystalline Fes3Gai7 alloy LI Ji-heng.GAO Xue-xu:ZHU Jie,Li Jie,ZHANG Mao-cai State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI The effects of B and Cr additions on the magnetostriction and mechanical properties of polyerystalline Fe83Gan7 alloy were investigated.It was found that 1%(atom fraction)addition of B increased the magnetostriction of the FeasGan7 alloy and im- proved the room temperature ductility and tensile strength.Compared with the Fe83Gan7 alloy.the elongation and tensile strength of the (Fe83Gai7)99B1alloy increased to 3.56%and 548 MPa.respectively.The element of B precipitated at grain boundaries in the form of Fe2B,resulted in that the grains refined and the grain boundary cohesion increased.so that granular fracture was inhibited. The element of Cr dissolved as Cr atoms in the matrix FessGai7 alloy.The 2%(atom fraction)addition of Cr improved both the magnetostriction and room temperature mechanical properties of the Fe83Ga17 alloy.The maximum magnetostriction and elongation of the (Fe8sGa)Cr2 alloy were 7X10-and 6%respectively. KEY WORDS Fe-Ga alloy:boron,chromium:magnetostriction:mechanical properties FeGa合金（又称Galfenol)是一种新型磁致伸 机械加工和器件设计都有重要影响，因此迫切需要 缩材料，自2O00年Guruswamy等)发现FeGa合 开展这方面的工作. 金具有较高磁致伸缩性能以来，相关领域的研究者 目前，一些研究肯定了Fe一Ga合金的力学性 针对FeGa合金开展了广泛的研究，研究内容已涵 能，与稀土超磁致伸缩TbDyFe合金材料相比，Fe一 盖材料的物理特性、组织结构和工艺)，并取得很 Ga合金的强度可达500MPa,且具有一定的塑性， 大进展，近年来还开展了声学响应]和器件设计开 可热轧.Kellogg等可在对单晶Fes3Ga17合金力学性 发方面的工作，但研究还不够深入·同时，对F一 能的研究中发现，沿晶体[100]方向的拉伸强度达 Ga合金力学性能的研究较少，而力学性能对材料的 515MPa,延伸率达2%.在对多晶feCa合金力学 收稿日期：2008-12-01 基金项目：国家自然科学基金资助项目(N。·50775015) 作者简介：李纪恒(1982一)，男，博士研究生；朱洁(1965一)，女，教授，博士生导师，E-mail:jiezhu(@slu减bedu~cm
硼和铬对多晶Fe83Ga17合金磁致伸缩和室温力学性能的 影响 李纪恒 高学绪 朱 洁 李 洁 张茂才 北京科技大学新金属材料国家重点实验室北京100083 摘 要 研究了添加 B 和 Cr 对多晶 Fe83Ga17合金磁致伸缩和拉伸力学性能的影响．结果表明：在 Fe83Ga17合金中添加原子分 数1％的 B不仅提高了合金的磁致伸缩性能而且还大幅提高了合金的室温力学性能抗拉强度达到548MPa延伸率达到 3∙56％．B 元素以 Fe2B 相的形式偏聚在晶界细化了合金晶粒增加了合金晶界结合力抑制了沿晶脆断．添加原子分数2％ 的 CrCr 固溶在 Fe83Ga17合金中同时提高了合金的磁致伸缩性能和室温力学性能（Fe83Ga17）98Cr2 合金最大磁致伸缩系数达 到7×10－5延伸率也较 Fe83Ga17合金有所增加达到0∙6％． 关键词 铁镓合金；硼；铬；磁致伸缩；力学性能 分类号 TG132∙27；TG113∙25 Effect of boron and chromium on magnetostriction and mechanical properties of polycrystalline Fe83Ga17 alloy LI J-i hengGA O Xue-xuZHU JieLi JieZHA NG Mao-cai State Key Laboratory for Advanced Metals and MaterialsUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he effects of B and Cr additions on the magnetostriction and mechanical properties of polycrystalline Fe83Ga17 alloy were investigated．It was found that 1％ （atom fraction） addition of B increased the magnetostriction of the Fe83Ga17 alloy and improved the room temperature ductility and tensile strength．Compared with the Fe83Ga17alloythe elongation and tensile strength of the （Fe83Ga17）99B1 alloy increased to 3∙56％ and 548MParespectively．T he element of B precipitated at grain boundaries in the form of Fe2Bresulted in that the grains refined and the grain boundary cohesion increasedso that granular fracture was inhibited． T he element of Cr dissolved as Cr atoms in the matrix Fe83Ga17 alloy．T he2％ （atom fraction） addition of Cr improved both the magnetostriction and room temperature mechanical properties of the Fe83Ga17alloy．T he maximum magnetostriction and elongation of the （Fe83Ga17）98Cr2alloy were7×10－5and0∙6％respectively． KEY WORDS Fe-Ga alloy；boronchromium；magnetostriction；mechanical properties 收稿日期：20081201 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No．50775015） 作者简介：李纪恒（1982－）男博士研究生；朱 洁（1965－）女教授博士生导师E-mail：jiezhu＠skl．ustb．edu．cn Fe－Ga 合金（又称 Galfenol）是一种新型磁致伸 缩材料．自2000年 Guruswamy 等［1］发现 Fe－Ga 合 金具有较高磁致伸缩性能以来相关领域的研究者 针对 Fe－Ga 合金开展了广泛的研究研究内容已涵 盖材料的物理特性、组织结构和工艺［2］并取得很 大进展．近年来还开展了声学响应［3］和器件设计开 发［4］方面的工作但研究还不够深入．同时对 Fe－ Ga 合金力学性能的研究较少而力学性能对材料的 机械加工和器件设计都有重要影响因此迫切需要 开展这方面的工作． 目前一些研究肯定了 Fe－Ga 合金的力学性 能与稀土超磁致伸缩 TbDyFe 合金材料相比Fe－ Ga 合金的强度可达500MPa且具有一定的塑性 可热轧．Kellogg 等［5］在对单晶 Fe83Ga17合金力学性 能的研究中发现沿晶体［100］方向的拉伸强度达 515MPa延伸率达2％．在对多晶 Fe－Ga 合金力学 第31卷 第10期 2009年 10月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．10 Oct．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．10．004
,1282 北京科技大学学报 第31卷 性能的研究中，美国Etrema公司的Summers等6] 致伸缩饱和磁场增大；值得注意的是，添加了原子分 采用区熔定向生长法制备具有[100]择优取向的多 数2%Cr的(Fe83Ga17)9sCr2合金，磁致伸缩系数达 晶Fe81.6Ga18.4合金，室温下合金抗拉强度370MPa, 到7×10-5，饱和磁场也较Fe83Ga17合金略有下降 延伸率低.Na和Cheng等]在FeGa合金的轧 80 制实验中发现，FeGa二元合金的晶界脆性使得合 0A 金在轧制过程中出现严重开裂而无法成形.Na 60 等通过添加少量的B、Mo、Nb和NbC提高了Fe 40 Ga合金的可轧性；而Clark等10]在研究中指出，添 topooofo 00 加V、Cr、Mo、Mn等元素都降低了单晶FeGa合金 --FenGan? -o-(FeaGa)B 的磁致伸缩性能.合金化元素B的添加提高了Fe一 a-(FeGa人wCr3 Ga合金的可轧性，Na等的研究并未给出B对Fe一 20 40 60 80 Ga合金力学性能的影响机理，有关添加合金化元 磁场强度，H(kA·m) 素Cr对FeGa合金力学性能的影响，进而改善该 合金的加工性能方面的研究则鲜有报道，本文研究 图1Fe83Ga17、(Fc83Ga1z)9gB1和(Fe8sGa1z)sCr2合金的磁致伸 了合金化元素B和Cr对多晶Fe83Ga17合金磁致伸 缩系数曲线 Fig.I Magnetostriction curves of FessGa17,(Fess Gan)BI and 缩及室温力学性能的影响，研究发现：B的添加极 (FegsGa17)Cr2 alloys 大地提高了Fe83Ga17合金的塑性，延伸率达到 3.56%,抗拉强度为548MPa;Cr的添加提高了多晶 FeGa合金的磁致伸缩性能与合金的微观组 Fe83Ga17合金的磁致伸缩性能 织、相结构密切相关，图2为分别添加B、Cr后 Fes3Ga17合金的XRD图谱.由图可见，添加1%的B 1实验方法 后，出现FB的特征衍射峰，表明合金中出现了少 选用纯度均为99.9%（质量分数）的Fe、Ga、Cr 量Fe2B相，这与龚彦等的研究结果相吻合；添加 和FeB(21%B)中间合金作为原材料，配制成目标 2%的Cr后，合金保持bec-Fe(Ga)相的基本特征， 成分为Fe83Ga17、(Fe83Ga17)99B1和(Fe83Ga17)98Cr2 即为无序的A2相，表明Cr原子固溶在FeGa合金 的母合金，氩气保护下在真空感应炉中反复熔炼后 中，并没有形成第2相.图3给出了Fes3Ga17、 浇铸成直径为l1mm的棒材.热处理在真空热处理 (Fe83Ga17)9sCr2和(Fe83Ga17)99B1三种合金的金相 炉中进行，热处理方法是1100℃保温1h,炉冷至 组织照片，从图3(a)和(b)中可以看出，Fe83Ga17和 780℃保温3h水淬快冷至室温. (Fe83GaI7)98Cr2合金的组织没有明显区别，晶粒粗 利用D/max-RB型X射线衍射仪(CuKa)确定 大，为200~600m;而B的添加细化了Fe83Ga17合 合金样品的相组成，用SUPRA55热场发射扫描电 金的晶粒，大小为30~200m,晶界结构也有明显 子显微镜(SEM)和金相显微镜对样品进行显微组 变化，如图3(c)所示 织观察，用JE0LXA一8100电子探针显微分析仪 为了进一步确定B和Cr在Fe83Ga17合金中的 (EPMA)测定合金的元素分布，在MTS8O9电液伺 服材料试验机进行拉伸实验，拉伸试样的计算直径 为5mm,计算长度为30mm,拉伸速度采用 o bcc-Fe(Ga) 10-4.1.样品沿轴向的磁致伸缩由JADW一2011型 Fe,B 磁致伸缩参数自动测量仪测量， 2实验结果与讨论 (b) 2.1B和Cr的添加对多晶Fe83Ga17合金磁致伸缩 (a) 性能的影响 40 60 80 28) 图1为Fe83Ga17合金及添加元素B和Cr后的 磁致伸缩性能曲线.由图可见，铸态多晶Fe3Ga17 图2(FegGai17)B1(a)和(FessGa7)sCr2(b)合金的XRD图谱 合金的饱和磁致伸缩性能达4.2×10-5，添加原子 Fig.2 XRD patterns of the alloys:(a)(Fe8s Gai7)B1: 分数1%的B后，磁致伸缩系数增至5×10-5，但磁 (b)(Fe83Ga17)98Cr2
性能的研究中美国 Etrema 公司的 Summers 等［6］ 采用区熔定向生长法制备具有［100］择优取向的多 晶 Fe81∙6Ga18∙4合金室温下合金抗拉强度370MPa 延伸率低．Na 和 Cheng 等［7－8］在 Fe－Ga 合金的轧 制实验中发现Fe－Ga 二元合金的晶界脆性使得合 金在轧制过程中出现严重开裂而无法成形．Na 等［9］通过添加少量的 B、Mo、Nb 和 NbC 提高了 Fe－ Ga 合金的可轧性；而 Clark 等［10］在研究中指出添 加 V、Cr、Mo、Mn 等元素都降低了单晶 Fe－Ga 合金 的磁致伸缩性能．合金化元素 B 的添加提高了 Fe－ Ga 合金的可轧性Na 等的研究并未给出 B 对 Fe－ Ga 合金力学性能的影响机理．有关添加合金化元 素 Cr 对 Fe－Ga 合金力学性能的影响进而改善该 合金的加工性能方面的研究则鲜有报道．本文研究 了合金化元素 B 和 Cr 对多晶 Fe83Ga17合金磁致伸 缩及室温力学性能的影响．研究发现：B 的添加极 大地提高了 Fe83Ga17合金的塑性延伸 率 达 到 3∙56％抗拉强度为548MPa；Cr 的添加提高了多晶 Fe83Ga17合金的磁致伸缩性能． 1 实验方法 选用纯度均为99∙9％（质量分数）的 Fe、Ga、Cr 和 Fe－B（21％ B）中间合金作为原材料配制成目标 成分为 Fe83Ga17、（Fe83Ga17）99B1 和（Fe83Ga17）98Cr2 的母合金．氩气保护下在真空感应炉中反复熔炼后 浇铸成直径为11mm 的棒材．热处理在真空热处理 炉中进行热处理方法是1100℃保温1h炉冷至 780℃保温3h 水淬快冷至室温． 利用 D／max－RB 型 X 射线衍射仪（Cu Kα）确定 合金样品的相组成用 SUPRA55热场发射扫描电 子显微镜（SEM）和金相显微镜对样品进行显微组 织观察用 JEOL JXA－8100电子探针显微分析仪 （EPMA）测定合金的元素分布．在 MTS809电液伺 服材料试验机进行拉伸实验拉伸试样的计算直径 为 5 mm计 算 长 度 为 30 mm拉 伸 速 度 采 用 10－4s －1．样品沿轴向的磁致伸缩由 JADW－2011型 磁致伸缩参数自动测量仪测量． 2 实验结果与讨论 2∙1 B 和 Cr 的添加对多晶 Fe83Ga17合金磁致伸缩 性能的影响 图1为 Fe83Ga17合金及添加元素 B 和 Cr 后的 磁致伸缩性能曲线．由图可见铸态多晶 Fe83Ga17 合金的饱和磁致伸缩性能达4∙2×10－5添加原子 分数1％的 B 后磁致伸缩系数增至5×10－5但磁 致伸缩饱和磁场增大；值得注意的是添加了原子分 数2％ Cr 的（Fe83Ga17）98Cr2 合金磁致伸缩系数达 到7×10－5饱和磁场也较 Fe83Ga17合金略有下降． 图1 Fe83Ga17、（Fe83Ga17）99B1 和（Fe83Ga17）98Cr2 合金的磁致伸 缩系数曲线 Fig．1 Magnetostriction curves of Fe83Ga17（Fe83Ga17）99B1 and （Fe83Ga17）98Cr2alloys Fe－Ga 合金的磁致伸缩性能与合金的微观组 织、相结构密切相关．图2为分别添加 B、Cr 后 Fe83Ga17合金的 XRD 图谱．由图可见添加1％的 B 后出现 Fe2B 的特征衍射峰表明合金中出现了少 图2 （Fe83Ga17）99B1（a）和 （Fe83Ga17）98Cr2（b）合金的 XRD 图谱 Fig．2 XRD patterns of the alloys： （ a ） （ Fe83 Ga17）99 B1； （b） （Fe83Ga17）98Cr2 量 Fe2B 相这与龚彦等［11］的研究结果相吻合；添加 2％的 Cr 后合金保持 bcc－Fe（Ga）相的基本特征 即为无序的 A2相表明 Cr 原子固溶在 Fe－Ga 合金 中并 没 有 形 成 第 2 相．图 3 给 出 了 Fe83Ga17、 （Fe83Ga17）98Cr2和（Fe83Ga17）99B1 三种合金的金相 组织照片．从图3（a）和（b）中可以看出Fe83Ga17和 （Fe83Ga17）98Cr2 合金的组织没有明显区别晶粒粗 大为200～600μm；而 B 的添加细化了 Fe83Ga17合 金的晶粒大小为30～200μm晶界结构也有明显 变化如图3（c）所示． 为了进一步确定 B 和 Cr 在 Fe83Ga17合金中的 ·1282· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第10期 李纪恒等：硼和铬对多晶Fe3Ga17合金磁致伸缩和室温力学性能的影响 ,1283, 200μm 200m 50m 图3Fe8Ga17(a)、(Fcs3Ga)sCr2(b)和(FessGar7)B1(c)合金的金相照片 Fig.3 Metallography of the alloys:(a)FessGai7:(b)(FessGa17)Cr2:(c)(FessGa7)B 分布，对两种合金进行了电子探针(EPMA)分析，分 有明显的连续析出相出现，基体衬度略有差异，还零 析结果如图4和表1所示，图4给出了(Fe83Ga17)gB1 星地出现了白色析出相，而黑色区域经分析为制样 和(Fe83Ga17)sCr2两种合金背散射电子(BES)图 过程中造成的缺陷.它们对应的化学组成如表1所 像.由图4(a)可以看出，合金晶界处有大量连续的 示，可见由于熔炼过程中的烧损，Ga约损失2%（原 析出相，经分析为富B相，化学组成接近Fe2B,与 子分数)；而Cr元素在合金基体中均匀分布，白色析 XRD结果相吻合，从图4(b)中可以看出，合金中没 出相的化学组成与基体相基本相同. b 50m 200μm 图4(FessGai17)gB1(a)和(Fcs3Ga17)gCr2(b)合金的BES照片 Fig-4 BSE micrographs of the alloys:(a)(FessGai)B1:(b)(FesaGa17)sCr2 表1(FessGal)sCr2合金元素分布的EPMA分析（原子分数） 出，细化了合金组织，使得晶界面积增加，增大了磁 Table 1 EPMA analysis of element distribution in the (FessGa7)9sCr2 畴转动的阻力，导致磁致伸缩饱和磁场的增加 alloy ÷ Clark等在研究中发现约2%Cr的添加，降低了 元素 名义成分 明基体 暗基体 白色析出 FeGa单晶的磁致伸缩.，原因在于：包含Cr元素在 Fe 81.34 83.1091 83.1333 83.1998 内的3d或4d过渡族元素能促进D03有序相的形 Ga 16.66 14.7214 14.6369 14.5390 成，而导致磁致伸缩性能的下降；而多晶FeGa合 Cr 2.00 2.1695 2.2298 2.2612 金的磁致伸缩性能与合金的微观组织，如晶体取向、 晶界结构和晶界的相互作用都有密切关系，因此， 龚彦等的研究表明，添加1%的B元素使得 Cr对单晶和多晶FeGa合金磁致伸缩性能有截然 铸态Fe81Ga19合金的磁致伸缩系数由5×10-5增加 不同的影响，其中的原因还有待进一步研究， 到5.4×10-5.他们把B元素的这种有益作用归因 2.2B、Cr的添加对多晶Fe83Ga7合金室温力学性 于：B元素添加形成Fe2B相，占用了一部分Fe原 能的影响 子，使得基体A2相(bec Fe(Ga)中Ga含量略高于 B和Cr的添加对Fes3Ga17合金的室温拉伸性 名义成分Fes1Ga9,Clark和Hang等1o.,12]研究了 能的影响如图5所示.从图5中可以看出：Fes3Ga7 极少量的B、N和C等小原子对单晶FeGa合金磁 合金在拉伸过程中，只显示弹性变形，没有塑性变形 致伸缩性能的影响，发现这类小原子以间隙原子的 立即断裂，抗拉强度也只有351MPa;添加1%B 方式进入合金基体中，抑制了D03长程有序相的形 后，Fe83Gau7合金的屈服强度和抗拉强度都得到了 成，进而提高Fe℃a合金的磁致伸缩性能.然而，B 很大的提高，分别达到了497MPa和548MPa,B的 元素在Fes3Ga17合金晶界处以Fe2B相形式连续析 添加还极大地改善了合金的塑性，延伸率达到
图3 Fe83Ga17（a）、（Fe83Ga17）98Cr2（b）和（Fe83Ga17）99B1（c）合金的金相照片 Fig．3 Metallography of the alloys：（a） Fe83Ga17；（b） （Fe83Ga17）98Cr2；（c） （Fe83Ga17）99B1 分布对两种合金进行了电子探针（EPMA）分析分 析结果如图4和表1所示．图4给出了（Fe83Ga17）99B1 和（Fe83Ga17）98Cr2 两种合金背散射电子（BES）图 像．由图4（a）可以看出合金晶界处有大量连续的 析出相经分析为富 B 相化学组成接近 Fe2B与 XRD 结果相吻合．从图4（b）中可以看出合金中没 有明显的连续析出相出现基体衬度略有差异还零 星地出现了白色析出相而黑色区域经分析为制样 过程中造成的缺陷．它们对应的化学组成如表1所 示．可见由于熔炼过程中的烧损Ga 约损失2％（原 子分数）；而 Cr 元素在合金基体中均匀分布白色析 出相的化学组成与基体相基本相同． 图4 （Fe83Ga17）99B1（a）和（Fe83Ga17）98Cr2（b）合金的 BES 照片 Fig．4 BSE micrographs of the alloys：（a） （Fe83Ga17）99B1；（b） （Fe83Ga17）98Cr2 表1 （Fe83Ga17）98Cr2 合金元素分布的 EPMA 分析（原子分数） Table1 EPMA analysis of element distribution in the （Fe83Ga17）98Cr2 alloy ％ 元素 名义成分 明基体 暗基体 白色析出 Fe 81∙34 83∙1091 83∙1333 83∙1998 Ga 16∙66 14∙7214 14∙6369 14∙5390 Cr 2∙00 2∙1695 2∙2298 2∙2612 龚彦等［11］的研究表明添加1％的 B 元素使得 铸态 Fe81Ga19合金的磁致伸缩系数由5×10－5增加 到5∙4×10－5．他们把 B 元素的这种有益作用归因 于：B 元素添加形成 Fe2B 相占用了一部分 Fe 原 子使得基体 A2相（bcc－Fe（Ga））中 Ga 含量略高于 名义成分 Fe81Ga19．Clark 和 Huang 等［1012］研究了 极少量的 B、N 和 C 等小原子对单晶 Fe－Ga 合金磁 致伸缩性能的影响发现这类小原子以间隙原子的 方式进入合金基体中抑制了 DO3 长程有序相的形 成进而提高 Fe－Ga 合金的磁致伸缩性能．然而B 元素在 Fe83Ga17合金晶界处以 Fe2B 相形式连续析 出细化了合金组织使得晶界面积增加增大了磁 畴转动的阻力导致磁致伸缩饱和磁场的增加． Clark 等在研究中发现约2％ Cr 的添加降低了 Fe－Ga单晶的磁致伸缩．原因在于：包含 Cr 元素在 内的3d 或4d 过渡族元素能促进 DO3 有序相的形 成而导致磁致伸缩性能的下降；而多晶 Fe－Ga 合 金的磁致伸缩性能与合金的微观组织如晶体取向、 晶界结构和晶界的相互作用都有密切关系．因此 Cr 对单晶和多晶 Fe－Ga 合金磁致伸缩性能有截然 不同的影响．其中的原因还有待进一步研究． 2∙2 B、Cr 的添加对多晶 Fe83Ga17合金室温力学性 能的影响 B 和 Cr 的添加对 Fe83Ga17合金的室温拉伸性 能的影响如图5所示．从图5中可以看出：Fe83Ga17 合金在拉伸过程中只显示弹性变形没有塑性变形 立即断裂抗拉强度也只有351MPa；添加1％ B 后Fe83Ga17合金的屈服强度和抗拉强度都得到了 很大的提高分别达到了497MPa 和548MPaB 的 添加还极大地改善了合金的塑性延伸率达到 第10期 李纪恒等： 硼和铬对多晶 Fe83Ga17合金磁致伸缩和室温力学性能的影响 ·1283·
.1284 北京科技大学学报 第31卷 3.56%.Cr的添加也一定程度上改善了Fe83Ga17合 明显的穿晶断裂、解理台阶和河流花样，这些解理断 金的塑性，延伸率达到0.6%，合金的应变强化现象 裂基本的微观特征表现明显，故(Fe83Ga17)98Cr2合 比较明显， 金的断裂为典型的解理断裂，也属脆性断裂， 600 B元素的原子尺寸较小，倾向于偏聚在界面上 500 而非自由表面，因此，B元素被广泛地尝试用于改 善金属间化合物的塑性3]，B元素对改善晶界弱的 400 Fe一Al合金的塑性很有效.在Ni3Al和FeAI等金属 300 间化合物中，一般认为B偏聚在晶界，降低了晶界 200 能，提高了晶界结合力，增加位错的可动性，促进晶 2-(Fea:GahoB 3-(FeaGa)eCra 界位错的产生，使滑移容易穿过晶界而扩展，使晶界 100 123 局部应力容易消除，从而提高塑性.Fe83Ga17合金的 2 3 沿晶脆断，也归因于合金晶界的弱化.在Fes3Ga17 应变，e% 合金中添加1%的B元素，B偏聚在晶界上，增强了 图5Fe8sGa17、(fes3Ga1z)B1和(Fes3Ga17gsCr2合金的应力一应 晶界的结合力，造成晶界强化，完全抑制了沿晶断 变曲线 裂；B的添加还细化了晶粒，增加晶界面积，裂纹扩 Fig.5 Strain stress curves of Fes3 Ga17.(Fess Gai7)9 B1 and 展遇到晶界时，由于晶界两侧晶粒的取向不同而被 (Fe83Ga17)98Cr2 alloys 迫改变方向或终止扩展，即增大了裂纹扩展的阻碍 作用.另外，B的添加还改变了晶界的结构，使得晶 图6为Fe83Ga17、(Fes3Ga17)gB1和(Fe8gGa7)9gCr2 界处应力集中减小而阻碍了裂纹的扩展，使得滑移 三种合金的室温拉伸断口形貌图.图6(a)和(b)为 能在晶界以较低的应力累积水平开动和传递，导致 Fe83Ga17合金的断口形貌.由图可见，FeGa二元合 合金的强度和塑性同时得到提高， 金的断裂模式为沿晶断裂，断口形貌呈冰糖状，此为 Cr元素被认为是唯一可以提高Fe3Al基金属 晶界刻面的反映，属脆性断裂；还可以看出合金的晶 间化合物合金在空气中室温拉伸延伸率的固溶合金 粒粗大，从(Fes3Ga17)99B1合金的断口形貌图6(c) 元素.在探讨Cr提高Fe3Al合金室温塑性机理的 和(d)可以看出，合金的断裂方式为明显的穿晶断 问题上，有研究者认为C改善塑性的主要原因是 裂.从断口的微观形态特征来看，撕裂棱明显，解理 Cr的加入改变了合金的内禀特性，降低反相畴界 刻面比较混乱，不是晶体学解理面，故断裂模式倾向 能，容易发生交滑移，因而提高塑性.McKamey 于准解理断裂，准解理断裂不是一种独立的断裂机 等4在研究Cr使Fe3Al合金增韧机理时指出，Cr 理，而是解理断裂的变种.图6(e)和(f)为 的加入使Fe3Al合金的解理强度提高到与晶界强度 (Fes3Ga17)9sCr2合金的断口形貌图，由图可见，也是 相当的水平，从而使合金的拉伸断口形貌由完全的 a () 1004m 40 um 100um 204m 100m 40m 图6 Fes3Ga1z((a),(b)、(Fes3Ga7)9B1((c),(d))和(Fcs3Ga1z)ssCr2((e),(f))合金的室温拉伸断口形貌 Fig-6 Fracture morphology of the Fe-Ga alloys with different element additions:(a),(b)FessGan7:(e).(d)(Fe8sGan7)99 B1:(e) (f)(Fe83Ga17)98Cr2
3∙56％．Cr 的添加也一定程度上改善了 Fe83Ga17合 金的塑性延伸率达到0∙6％合金的应变强化现象 比较明显． 图5 Fe83Ga17、（Fe83Ga17）99B1 和（Fe83Ga17）98Cr2 合金的应力－应 变曲线 Fig．5 Strain-stress curves of Fe83 Ga17（Fe83 Ga17）99B1 and （Fe83Ga17）98Cr2 alloys 图6 Fe83Ga17（（a）（b））、（Fe83Ga17）99B1（（c）（d））和 （Fe83Ga17）98Cr2（（e）（f））合金的室温拉伸断口形貌 Fig．6 Fracture morphology of the Fe-Ga alloys with different element additions：（a）（b） Fe83Ga17；（c）（d） （Fe83Ga17）99B1；（e） （f） （Fe83Ga17）98Cr2 图6为 Fe83Ga17、（Fe83Ga17）99B1 和（Fe83Ga17）98Cr2 三种合金的室温拉伸断口形貌图．图6（a）和（b）为 Fe83Ga17合金的断口形貌．由图可见Fe－Ga 二元合 金的断裂模式为沿晶断裂断口形貌呈冰糖状此为 晶界刻面的反映属脆性断裂；还可以看出合金的晶 粒粗大．从（Fe83Ga17）99B1 合金的断口形貌图6（c） 和（d）可以看出合金的断裂方式为明显的穿晶断 裂．从断口的微观形态特征来看撕裂棱明显解理 刻面比较混乱不是晶体学解理面故断裂模式倾向 于准解理断裂．准解理断裂不是一种独立的断裂机 理而 是 解 理 断 裂 的 变 种．图 6（e ） 和 （f ） 为 （Fe83Ga17）98Cr2合金的断口形貌图．由图可见也是 明显的穿晶断裂、解理台阶和河流花样这些解理断 裂基本的微观特征表现明显故（Fe83Ga17）98Cr2 合 金的断裂为典型的解理断裂也属脆性断裂． B 元素的原子尺寸较小倾向于偏聚在界面上 而非自由表面．因此B 元素被广泛地尝试用于改 善金属间化合物的塑性［13］B 元素对改善晶界弱的 Fe－Al 合金的塑性很有效．在 Ni3Al 和 FeAl 等金属 间化合物中一般认为 B 偏聚在晶界降低了晶界 能提高了晶界结合力增加位错的可动性促进晶 界位错的产生使滑移容易穿过晶界而扩展使晶界 局部应力容易消除从而提高塑性．Fe83Ga17合金的 沿晶脆断也归因于合金晶界的弱化．在 Fe83Ga17 合金中添加1％的 B 元素B 偏聚在晶界上增强了 晶界的结合力造成晶界强化完全抑制了沿晶断 裂；B 的添加还细化了晶粒增加晶界面积裂纹扩 展遇到晶界时由于晶界两侧晶粒的取向不同而被 迫改变方向或终止扩展即增大了裂纹扩展的阻碍 作用．另外B 的添加还改变了晶界的结构使得晶 界处应力集中减小而阻碍了裂纹的扩展使得滑移 能在晶界以较低的应力累积水平开动和传递导致 合金的强度和塑性同时得到提高． Cr 元素被认为是唯一可以提高 Fe3Al 基金属 间化合物合金在空气中室温拉伸延伸率的固溶合金 元素．在探讨 Cr 提高 Fe3Al 合金室温塑性机理的 问题上有研究者认为 Cr 改善塑性的主要原因是 Cr 的加入改变了合金的内禀特性降低反相畴界 能容易发生交滑移因而提高塑性．McKamey 等［14］在研究 Cr 使 Fe3Al 合金增韧机理时指出Cr 的加入使 Fe3Al 合金的解理强度提高到与晶界强度 相当的水平从而使合金的拉伸断口形貌由完全的 ·1284· 北 京 科 技 大 学 学 报 第31卷
第10期 李纪恒等：硼和铬对多晶Fex3G17合金磁致伸缩和室温力学性能的影响 ,1285, 穿晶解理断裂，转变为加Cr后的穿晶解理与沿晶 loys Compd,2007,42/44:431 断裂的混合型，进而提高了塑性.郦定强等]的研 [3]MeGary P D,Tan L,Zou J.et al.Magnetic nanowires for acoustic sensors (invited).JAppl Phys,2006,99:Article No. 究表明：Cr不仅能使Fe一36.5Al合金的拉伸断口 08B310-1 形貌中沿晶断裂的部分消失，而且使穿晶断裂部分 [4]Downey P R.Flatau A B.Bending behavior of iron gallium 由解理断裂转变为准解理断裂.这说明Cr不仅提 (Galfenol)alloys for sensor applications-Proc SPIE.2005. 高了Fe36.5Al合金的晶界强度，同时也提高了合 5764:120 金的解理强度.由于FeGa合金具有类似于Fe一Al [5]Kellogg R A.Russell A M,Lograsso T A.et al.Tensile proper 合金的晶体结构，根据以上Cr对Fe一Al合金增韧 ties of magnetostrictive iron gallium alloy.Acta Mater.2004. 52.5043 机理的研究，笔者尝试地提出类似的解释：在添加 [6]Summers E,Lograsso T A.Snodgrass J D,et al.Magnetic and Cr元素之前，Fe一Ga合金的晶界强度低于解理强 mechanical properties of polycrystalline Galfenol.Proc SPIE, 度，此时合金易发生沿晶断裂；添加Cr元素后，Cr 2004,5387:448 以固溶原子的形式存在于FeGa合金中，起到固溶 [7]Na S M.Flatau A B.Effect of boron addition on magnetostriction 强化的作用，同时提高了FeGa合金的解理强度和 and mechanical properties of rolled polycrystalline Fe-18.7%Ga alloy.Mater Res Soc Symp Proe,2006.888:329 晶界强度，而此时的晶界强度高于解理强度，导致合 [8]Cheng L M.Nolting A E.Voyzelle B.et al.Deformation behav- 金易发生穿晶解理断裂，且提高了抗拉强度 ior of polycrystalline Galfenol at elevated temperatures.Proc SPIE,2007.6526:Article No.6526N-1 3结论 [9]Na S M.Flatau A B.Deformation behavior and magnetostriction of polycrystalline Fe-GaX(X=B.C,Mn.Mo.Nb.NbC)al- (1)在Fe83Ga17合金中添加原子分数1%的B loys-J Appl Phys.2008,103:Article No.07D304-1 元素，不仅增强了合金的磁致伸缩性能，而且极大地 [10]Clark A E.Restoff J B.Wun-Fogle M.et al.Magnetostriction 提高了合金的室温力学性能，抗拉强度达到 of ternary Fe-Ga-X (X=C.V,Cr.Mn,Co,Rh)alloys.J 548MPa,延伸率达到3.56%.B元素在合金中偏聚 Appl Phys.2007.101:Article No.09C507-1 在晶界，细化了晶粒，提高了晶界结合力，使合金的 [11]Gong Y.Jiang C B.Xu H B.Effect of boron addition on phase 拉伸断口由完全的沿晶断裂转变为穿晶断裂，提高 structure and magnetostiction of Fe-Ga alloys.Acta Metall Sin. 2006,42(8):830 了塑性 (龚彦，蒋成保，徐惠彬.硼添加对F©Ga合金相结构和磁致 (2)(Fes3Ga17)98Cr2合金的最大磁致伸缩系数 伸缩的影响，金属学报，2006,42(8)：830) 达到7×10-5.原子分数2%的Cr元素的添加，还 [12]Huang M.Lograsso T A,Clark A E.et al.Effect of interstitial 有利于改善Fes3GaI7合金的室温塑性，合金的延伸 additions on magnetostriction in Fe-Ga alloys.J Appl Phys, 2008,103:Article No.07B314-1 率为0.6%.Cr固溶在FeGa合金中，起到固溶强 [13]Yin W M,Guo J T.Hu Z Q.Effect of boron on mechanical 化作用，同时提高了合金的晶界强度和解理强度，而 properties and microstructure of Fe3Al alloys.Acta Metall Sin, 晶界强度高于解理强度，使得合金以穿晶解理的方 1994,30(11):A515 式断裂 (殷为民，郭建亭，胡壮麒.硼对F©3Al合金力学性能和显微 组织的影响，金属学报，1994,30(11)：A515) [14]MeKamey C G,Horton J A,Liu C T.Effect of chromium on 参考文献 room temperature ductility and fracture mode in Fe3Al.Scripta [1]Guruswamy S.Srisukhumbowornchai N.Clark A E,et al. Metall Mater,1988.22:1679 Strong.ductile,and low field-magnetostrictive alloys based on Fe- [15]Li D Q,Lin D L.Influence of Cr on mechanical property and Ga-Scripta Mater.2000,43(3):239 microstructure of Fe Al alloys.Mater Eng.1997(3):20 [2]Zhang M C.Gao X X.Jiang H L,et al.Effect of Ga content on (郦定强，林栋梁.Cr对FeAl合金组织结构和力学性能的影 the magnetostriction and microstructure of Fe-Ga ribbons.JAl- 响.材料工程，1997(3)：20)
穿晶解理断裂转变为加 Cr 后的穿晶解理与沿晶 断裂的混合型进而提高了塑性．郦定强等［15］的研 究表明：Cr 不仅能使 Fe－36∙5Al 合金的拉伸断口 形貌中沿晶断裂的部分消失而且使穿晶断裂部分 由解理断裂转变为准解理断裂．这说明 Cr 不仅提 高了 Fe－36∙5Al 合金的晶界强度同时也提高了合 金的解理强度．由于 Fe－Ga 合金具有类似于 Fe－Al 合金的晶体结构根据以上 Cr 对 Fe－Al 合金增韧 机理的研究笔者尝试地提出类似的解释：在添加 Cr 元素之前Fe－Ga 合金的晶界强度低于解理强 度此时合金易发生沿晶断裂；添加 Cr 元素后Cr 以固溶原子的形式存在于 Fe－Ga 合金中起到固溶 强化的作用同时提高了 Fe－Ga 合金的解理强度和 晶界强度而此时的晶界强度高于解理强度导致合 金易发生穿晶解理断裂且提高了抗拉强度． 3 结论 （1） 在 Fe83Ga17合金中添加原子分数1％的 B 元素不仅增强了合金的磁致伸缩性能而且极大地 提高 了 合 金 的 室 温 力 学 性 能抗 拉 强 度 达 到 548MPa延伸率达到3∙56％．B 元素在合金中偏聚 在晶界细化了晶粒提高了晶界结合力使合金的 拉伸断口由完全的沿晶断裂转变为穿晶断裂提高 了塑性． （2） （Fe83Ga17）98Cr2 合金的最大磁致伸缩系数 达到7×10－5．原子分数2％的 Cr 元素的添加还 有利于改善 Fe83Ga17合金的室温塑性合金的延伸 率为0∙6％．Cr 固溶在 Fe－Ga 合金中起到固溶强 化作用同时提高了合金的晶界强度和解理强度而 晶界强度高于解理强度使得合金以穿晶解理的方 式断裂． 参 考 文 献 ［1］ Guruswamy SSrisukhumbowornchai NClark A Eet al． Strongductileand low-field-magnetostrictive alloys based on FeGa．Scripta Mater200043（3）：239 ［2］ Zhang M CGao X XJiang H Let al．Effect of Ga content on the magnetostriction and microstructure of Fe-Ga ribbons．J Alloys Compd200742／44：431 ［3］ McGary P DTan LZou Jet al．Magnetic nanowires for acoustic sensors （invited）．J Appl Phys200699：Article No． 08B310-1 ［4］ Downey P RFlatau A B．Bending behavior of iron-gallium （Galfenol ） alloys for sensor applications． Proc SPIE2005 5764：120 ［5］ Kellogg R ARussell A MLograsso T Aet al．Tensile properties of magnetostrictive iron-gallium alloy． Acta Mater2004 52：5043 ［6］ Summers ELograsso T ASnodgrass J Det al．Magnetic and mechanical properties of polycrystalline Galfenol． Proc SPIE 20045387：448 ［7］ Na S MFlatau A B．Effect of boron addition on magnetostriction and mechanical properties of rolled polycrystalline Fe-18∙7％ Ga alloy．Mater Res Soc Symp Proc2006888：329 ［8］ Cheng L MNolting A EVoyzelle Bet al．Deformation behavior of polycrystalline Galfenol at elevated temperatures． Proc SPIE20076526：Article No．6526N-1 ［9］ Na S MFlatau A B．Deformation behavior and magnetostriction of polycrystalline Fe-Ga-X（X＝BCMnMoNbNbC）a-l loys．J Appl Phys2008103：Article No．07D304-1 ［10］ Clark A ERestoff J BWun-Fogle Met al．Magnetostriction of ternary Fe-Ga-X （X＝CVCrMnCoRh） alloys．J Appl Phys2007101：Article No．09C507-1 ［11］ Gong YJiang C BXu H B．Effect of boron addition on phase structure and magnetostiction of Fe-Ga alloys．Acta Metall Sin 200642（8）：830 （龚彦蒋成保徐惠彬．硼添加对 Fe-Ga 合金相结构和磁致 伸缩的影响．金属学报200642（8）：830） ［12］ Huang MLograsso T AClark A Eet al．Effect of interstitial additions on magnetostriction in Fe-Ga alloys． J Appl Phys 2008103：Article No．07B314-1 ［13］ Yin W MGuo J THu Z Q．Effect of boron on mechanical properties and microstructure of Fe3Al alloys．Acta Metall Sin 199430（11）：A515 （殷为民郭建亭胡壮麒．硼对 Fe3Al 合金力学性能和显微 组织的影响．金属学报199430（11）：A515） ［14］ McKamey C GHorton J ALiu C T．Effect of chromium on room temperature ductility and fracture mode in Fe3Al．Scripta Metall Mater198822：1679 ［15］ Li D QLin D L．Influence of Cr on mechanical property and microstructure of Fe Al alloys．Mater Eng1997（3）：20 （郦定强林栋梁．Cr 对 FeAl 合金组织结构和力学性能的影 响．材料工程1997（3）：20） 第10期 李纪恒等： 硼和铬对多晶 Fe83Ga17合金磁致伸缩和室温力学性能的影响 ·1285·