鐵磁合金高阻尼的形成機制

1、鐵磁合金高阻尼的形成機制*周正存作者簡介：周正存（1962），男，安徽舒城人，博士/教授，研究方向：凝聚態(tài)物理、材料工程。摘要 :本文論述了鐵磁合金的磁學-力學阻尼機制。鐵磁合金的磁學-力學阻尼來源于應(yīng)力誘導下的不可逆的磁疇壁運動。阻尼性能受到合金化學成分和熱處理工藝的影響，合金的磁性參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)以及合金的內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)決定了阻尼的大小。關(guān)鍵詞:磁合金；阻尼一、前言有害的振動不僅降低機械部件的工作可靠性，而且會使材料過早地產(chǎn)生疲勞失效。減振的有效措施之一是采用高阻尼材料，其中鐵磁高阻尼合金（Fe-Cr系、Fe-Al系等 ）因具有良好的力學性能和耐腐蝕性能而受到廣泛的關(guān)注，已有相當多的研究結(jié)果相繼

2、報道，但由于鐵磁合金阻尼性能的影響因素較復雜，一些問題仍存在不確定性，因此，有必要對鐵磁合金的阻尼機制的研究做系統(tǒng)的論述。二、結(jié)果與討論鐵磁材料的磁彈性阻尼一般分為三類：宏觀渦流、微觀渦流以及磁學-力學滯后阻尼1 -2。宏觀渦流阻尼產(chǎn)生于對穿過振動樣品的磁通量改變的響應(yīng)。微觀渦流阻尼是疇界的任何移動所產(chǎn)生的磁化的局部改變而引起的微觀渦流損失3。磁學-力學滯后阻尼產(chǎn)生于應(yīng)力誘導下不可逆的磁疇壁的運動4。在這三種阻尼中，磁學-力學滯后阻尼是主要的，尤其在低頻下更是如此5-6。前兩種阻尼依賴于頻率但獨立于應(yīng)變振幅，而磁學-力學滯后阻尼則強烈地依賴于應(yīng)變振幅而與振動頻率無關(guān)3。鐵磁材料高阻尼機制的發(fā)現(xiàn)

3、始于二十世紀三十年代7，此后相繼被許多實驗所證實，其中磁學-力學滯后阻尼的研究最多并主要集中在Fe-Cr、Fe-Cr-Al、Fe-Co、Fe-Si以及Fe-Al等合金上1，7-22。Coronel等研究了純Fe的磁學-力學阻尼。他們用測量微觀渦流阻尼來估計磁疇尺寸并用宏觀渦流峰是否出現(xiàn)來判斷樣品是否達到磁飽和，建立了產(chǎn)生磁學-力學滯后阻尼的理論模型。認為這種阻尼的產(chǎn)生是由于局部應(yīng)力改變方向時，引起四偶極子的重新取向3。Frank等研究了Fe-Si合金的磁學-力學阻尼，揭示了磁場、飽和磁化強度、飽和磁致伸縮系數(shù)以及應(yīng)變與阻尼之間的關(guān)系并觀察到了晶向?qū)ψ枘岬淖饔?。Smith 和Birchak（S

4、B） 根據(jù)內(nèi)應(yīng)力的統(tǒng)計分配和應(yīng)變振幅，提出了唯像模型8。這種模型有兩個公式，分別對應(yīng)于低應(yīng)變條件和高應(yīng)變（最大阻尼值處）條件：在低應(yīng)變條件下， （1）在高應(yīng)變條件下， （2）這里，是磁學-力學滯后阻尼，是最大阻尼值，是飽和磁致伸縮系數(shù)，是楊氏模量，是內(nèi)應(yīng)力。另外，他們把內(nèi)應(yīng)力分配的模型擴展到計算作用，不可逆的低場磁導率，依賴于溫度的磁學-力學阻尼。的應(yīng)變振幅依賴性的計算與Fe-7.65%Ge的實驗結(jié)果一致，由磁導率的模型得出的結(jié)果值與Becker-Kersten關(guān)于可逆的初始磁導率和矯頑力的模型一致，Roberts和Barrand在Ni中所觀察到的依賴于溫度的磁學-力學阻尼歸因于各向異性減小時

5、，磁疇壁厚度的增加，這個模型與測量的阻尼對溫度依賴性相吻合9。后來，更多的研究集中在微觀結(jié)構(gòu)和化學成分對阻尼的影響方面。Masumoto等在頻率大約1.1Hz的情況下用倒扭擺研究了Fe-Cr合金的內(nèi)耗，發(fā)現(xiàn)內(nèi)耗作為應(yīng)變振幅的函數(shù)存在一個最大值，對樣品進行退火能顯著增加阻尼性能且退火溫度在1200oC時，阻尼性能達最佳。Cr含量對阻尼性能也有顯著的影響，分別在5%Cr和17%Cr的含量處出現(xiàn)峰值10。Karimi等在頻率10Hz到10KHz的范圍內(nèi)考察了等離子熱噴涂的Fe-Cr-X合金涂層的磁學-力學阻尼。結(jié)果顯示，涂層的阻尼性能與相同化學成分的鑄造合金相當。熱處理通常能提高阻尼性能。隨著退火溫

6、度和退火時間增加，出現(xiàn)最大阻尼性能的位置向較低的應(yīng)變處移動。與應(yīng)變振幅對阻尼的作用相比，振動頻率對阻尼沒有明顯影響。磁疇結(jié)構(gòu)在熱處理后發(fā)生改變因而導致不同的阻尼值。退火對阻尼性能的影響一方面來源于對未釘扎疇壁可動性的改善，另一方面得益于90o磁疇分數(shù)的增加1，已有結(jié)果顯示：180o磁疇壁所產(chǎn)生的內(nèi)耗僅是90o磁疇壁的5-10%11。Chudakov和Golovin等也研究了Fe-Cr等合金的磁學-力學阻尼特性，結(jié)果表明，磁疇壁運動所消耗的能量依賴于磁疇壁的動性，而疇壁的動性由下列三個因素控制：（a）磁疇及疇界的結(jié)構(gòu)和尺寸，（b）晶體結(jié)構(gòu)，（c）疇壁和晶體缺陷之間的相互作用。他們的研究集中在微觀

7、結(jié)構(gòu)（包括磁疇結(jié)構(gòu)）對阻尼性能的影響，而微觀組織的改變可通過改變合金成分或不同熱處理制度來實現(xiàn)。他們不僅找出了磁疇結(jié)構(gòu)與阻尼的關(guān)系，而且確立了磁疇尺寸和阻尼性能之間的關(guān)系。微觀結(jié)構(gòu)中對磁疇壁運動產(chǎn)生阻礙的障礙物像位錯、晶界、沉淀物、第二相、點缺陷等都會對阻尼性能產(chǎn)生不利影響。它們的存在增加了內(nèi)應(yīng)力，而內(nèi)應(yīng)力又對磁疇壁的運動起阻礙作用。另外，他們還研究了磁學-力學阻尼隨磁場強度的變化以及復合熱處理對阻尼性能的影響。磁學-力學阻尼隨磁場強度的增加而降低，但復合熱處理的效果取決于熱處理后合金的結(jié)構(gòu)和內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)12-14。Cullen等研究了Fe-Ga和Fe-Al合金的磁彈性能。通過觀察飽和磁致伸縮以

8、及它對溫度和成分的依賴性，發(fā)現(xiàn)隨成分出現(xiàn)異常變化，這與內(nèi)應(yīng)力有關(guān)的原子短程有序相關(guān)15。Pulino-Sagradi等研究了Fe-Cr-X的高阻尼性能以及它對磁疇結(jié)構(gòu)的依賴性。他們的的結(jié)果顯示，熱處理能夠改善Fe-16%Cr-（2-8%）Al，F(xiàn)e-16%Cr（2-4%）Mo，以及Fe-16%Cr-2%Mo-1%Cu的阻尼性能。阻尼隨Al含量或Mo含量的增加而減小。熱處理后所獲得的高阻尼是綜合作用的結(jié)果，內(nèi)應(yīng)力的減少、90o磁疇體積分數(shù)的增加以及磁疇壁可動性的增加都能通過適當?shù)臒崽幚淼玫?6。Azcoïtia等研究了Fe-Cr合金的磁學-力學阻尼以及Mo和Al的添加對阻尼性能的作用。

9、結(jié)果顯示，較低濃度的Mo和Al能在一定程度上提高阻尼性能，但當其含量超過4%時又顯著降低阻尼性能。添加Mo提高阻尼性能比添加Al顯著，原因是磁致伸縮系數(shù)對阻尼性能起了關(guān)鍵的作用。他們認為阻尼性能的變化更多地起源于磁疇結(jié)構(gòu)的改變而非釘扎疇壁的局部障礙物分布的改變17，18。Kardashev等在較大的應(yīng)變振幅范圍（包括有或無應(yīng)變振幅依賴性的阻尼范圍）研究了壓力容器鋼的磁學-力學阻尼及楊氏模量（作用）。試驗數(shù)據(jù)顯示，退火的作用是因樣品中內(nèi)應(yīng)力發(fā)生了變化19。Udovenko等21研究了Fe-Al合金的磁學-力學阻尼，他們發(fā)現(xiàn)阻尼在5-6%Al時出現(xiàn)最大值，這個結(jié)果與早期的研究不一致22，后者的結(jié)果

10、顯示阻尼隨Al含量增加直至10-12%Al。與Fe-Cr系合金阻尼特征一樣，磁疇結(jié)構(gòu)和尺寸以及微觀結(jié)構(gòu)對阻尼性能的作用是相似的。但在熱處理的影響方面，F(xiàn)e-Al合金是通過空冷獲得最佳阻尼性能而不是爐冷，因為爐冷的Fe-Al合金產(chǎn)生短程有序相而使內(nèi)應(yīng)力增加。國內(nèi)關(guān)于Fe基合金阻尼性能的研究也有報道。王衛(wèi)國等23研究了鐵磁合金中的磁彈轉(zhuǎn)換。他們通過實驗和分析后認為，鐵磁合金中疇壁不可逆移動造成的單位體積內(nèi)彈性振動能的耗散在數(shù)值上等于疇壁能密度，即：，其中，是疇壁能，是疇壁厚度，是揚氏模量，是飽和磁致伸縮系數(shù)。他們發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-Cr-Al-Si，F(xiàn)e-Cr-Si，F(xiàn)e-Cr-Al以及Fe-Cr-2Al

11、-Si合金的疇壁能密度依次提高，在1373K以上溫度充分退火并使晶粒充分長大的條件下，上述四種合金的內(nèi)耗也響應(yīng)地依次增大。李寧等24研究了Fe-13Cr-2.5Mo合金的阻尼性能及磁疇觀察，實驗結(jié)果顯示，1100退火0.5小時的樣品，合金的阻尼性能最高，退火時間的延長，會降低阻尼性能，這是因為磁疇結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了楔形疇，楔形疇對180和90疇界的移動產(chǎn)生了較強的釘扎作用。楔形疇以單疇形式存在，不僅自身磁化困難，而且強烈地釘扎了主疇的疇界，使疇壁移動困難。目前，對這種疇的形成機理還沒有明確的認識，有待進一步研究。張建福等研究了合金元素對Fe-Cr系減振合金性能的影響,添加元素Mn、Si可以改善Fe-

12、Cr系減振合金的減振性能，適當?shù)臒崽幚砗?，F(xiàn)e-Cr-Mn-Si合金的阻尼值可達到25×10-3，是一種很有應(yīng)用前景的減振金屬功能材料。周正存等26-27研究了應(yīng)變振幅、熱處理工藝以及溫度對Fe-25Cr-5Al（重量百分數(shù)）合金磁學力學阻尼性能的影響。實驗發(fā)現(xiàn)，較高溫度(1250)下退火的樣品，其阻尼性能最好，淬火和冷加工的樣品，阻尼性能較差。另外，該合金的磁學力學阻尼強烈地依賴應(yīng)變振幅并隨振幅的增加線性增加，與方程（1）完全一致。溫度對該合金的磁學力學阻尼性能的影響與溫度對它的磁性能的影響是相似的，即：隨溫度的增加，磁學力學阻尼降低，到一定溫度時，阻尼值達最低。三、結(jié)論低頻下，鐵

13、磁材料的阻尼主要來源于磁學-力學阻尼。阻尼性能不僅與合金元素的種類和含量有關(guān)，還與合金的熱處理工藝和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，這些因素實際上是改變了合金的磁性參數(shù)和合金的微觀結(jié)構(gòu)，因此，磁學力學阻尼實質(zhì)上是由合金的磁性參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)以及內(nèi)應(yīng)力決定的。*江蘇省“六大人才高峰行動計劃”資助項目（06-E-011）江蘇省教育廳基金資助項目（04 KJD 140172和05KJD430199）參考文獻:1A. Karimi, P. H. Giauque, and J. L. Martin, Magnetomechanical Damping in Plasma Sprayed Iron-Chromium Base

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