鐵磁合金高阻尼的形成機(jī)制

1、鐵磁合金高阻尼的形成機(jī)制*周正存作者簡(jiǎn)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(xué)-力學(xué)阻尼機(jī)制。鐵磁合金的磁學(xué)-力學(xué)阻尼來(lái)源于應(yīng)力誘導(dǎo)下的不可逆的磁疇壁運(yùn)動(dòng)。阻尼性能受到合金化學(xué)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(dòng)不僅降低機(jī)械部件的工作可靠性，而且會(huì)使材料過(guò)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(xué)性能和耐腐蝕性能而受到廣泛的關(guān)注，已有相當(dāng)多的研究結(jié)果相繼

2、報(bào)道，但由于鐵磁合金阻尼性能的影響因素較復(fù)雜，一些問(wèn)題仍存在不確定性，因此，有必要對(duì)鐵磁合金的阻尼機(jī)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(xué)-力學(xué)滯后阻尼1 -2。宏觀渦流阻尼產(chǎn)生于對(duì)穿過(guò)振動(dòng)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(dòng)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(xué)-力學(xué)滯后阻尼產(chǎn)生于應(yīng)力誘導(dǎo)下不可逆的磁疇壁的運(yùn)動(dòng)4。在這三種阻尼中，磁學(xué)-力學(xué)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(dú)立于應(yīng)變振幅，而磁學(xué)-力學(xué)滯后阻尼則強(qiáng)烈地依賴于應(yīng)變振幅而與振動(dòng)頻率無(wú)關(guān)3。鐵磁材料高阻尼機(jī)制的發(fā)現(xiàn)

3、始于二十世紀(jì)三十年代7，此后相繼被許多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，其中磁學(xué)-力學(xué)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(xué)-力學(xué)阻尼。他們用測(cè)量微觀渦流阻尼來(lái)估計(jì)磁疇尺寸并用宏觀渦流峰是否出現(xiàn)來(lái)判斷樣品是否達(dá)到磁飽和，建立了產(chǎn)生磁學(xué)-力學(xué)滯后阻尼的理論模型。認(rèn)為這種阻尼的產(chǎn)生是由于局部應(yīng)力改變方向時(shí)，引起四偶極子的重新取向3。Frank等研究了Fe-Si合金的磁學(xué)-力學(xué)阻尼，揭示了磁場(chǎng)、飽和磁化強(qiáng)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(jì)分配和應(yīng)變振幅，提出了唯像模型8。這種模型有兩個(gè)公式，分別對(duì)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(xué)-力學(xué)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(kuò)展到計(jì)算作用，不可逆的低場(chǎng)磁導(dǎo)率，依賴于溫度的磁學(xué)-力學(xué)阻尼。的應(yīng)變振幅依賴性的計(jì)算與Fe-7.65%Ge的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，由磁導(dǎo)率的模型得出的結(jié)果值與Becker-Kersten關(guān)于可逆的初始磁導(dǎo)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(xué)-力學(xué)阻尼歸因于各向異性減小時(shí)

5、，磁疇壁厚度的增加，這個(gè)模型與測(cè)量的阻尼對(duì)溫度依賴性相吻合9。后來(lái)，更多的研究集中在微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分對(duì)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(gè)最大值，對(duì)樣品進(jìn)行退火能顯著增加阻尼性能且退火溫度在1200oC時(shí)，阻尼性能達(dá)最佳。Cr含量對(duì)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(xué)-力學(xué)阻尼。結(jié)果顯示，涂層的阻尼性能與相同化學(xué)成分的鑄造合金相當(dāng)。熱處理通常能提高阻尼性能。隨著退火溫

6、度和退火時(shí)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(dòng)。與應(yīng)變振幅對(duì)阻尼的作用相比，振動(dòng)頻率對(duì)阻尼沒(méi)有明顯影響。磁疇結(jié)構(gòu)在熱處理后發(fā)生改變因而導(dǎo)致不同的阻尼值。退火對(duì)阻尼性能的影響一方面來(lái)源于對(duì)未釘扎疇壁可動(dòng)性的改善，另一方面得益于90o磁疇分?jǐn)?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(xué)-力學(xué)阻尼特性，結(jié)果表明，磁疇壁運(yùn)動(dòng)所消耗的能量依賴于磁疇壁的動(dòng)性，而疇壁的動(dòng)性由下列三個(gè)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(duì)阻尼性能的影響，而微觀組織的改變可通過(guò)改變合金成分或不同熱處理制度來(lái)實(shí)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(duì)磁疇壁運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻礙的障礙物像位錯(cuò)、晶界、沉淀物、第二相、點(diǎn)缺陷等都會(huì)對(duì)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(duì)磁疇壁的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用。另外，他們還研究了磁學(xué)-力學(xué)阻尼隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化以及復(fù)合熱處理對(duì)阻尼性能的影響。磁學(xué)-力學(xué)阻尼隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而降低，但復(fù)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(guò)觀察飽和磁致伸縮以

8、及它對(duì)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(duì)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?jǐn)?shù)的增加以及磁疇壁可動(dòng)性的增加都能通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚淼玫?6。Azcoïtia等研究了Fe-Cr合金的磁學(xué)-力學(xué)阻尼以及Mo和Al的添加對(duì)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(dāng)其含量超過(guò)4%時(shí)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(duì)阻尼性能起了關(guān)鍵的作用。他們認(rèn)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(wú)應(yīng)變振幅依賴性的阻尼范圍）研究了壓力容器鋼的磁學(xué)-力學(xué)阻尼及楊氏模量（作用）。試驗(yàn)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(xué)-力學(xué)阻尼，他們發(fā)現(xiàn)阻尼在5-6%Al時(shí)出現(xiàn)最大值，這個(gè)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(duì)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(guò)空冷獲得最佳阻尼性能而不是爐冷，因?yàn)闋t冷的Fe-Al合金產(chǎn)生短程有序相而使內(nèi)應(yīng)力增加。國(guó)內(nèi)關(guān)于Fe基合金阻尼性能的研究也有報(bào)道。王衛(wèi)國(guó)等23研究了鐵磁合金中的磁彈轉(zhuǎn)換。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析后認(rèn)為，鐵磁合金中疇壁不可逆移動(dòng)造成的單位體積內(nèi)彈性振動(dòng)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(yáng)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(zhǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，1100退火0.5小時(shí)的樣品，合金的阻尼性能最高，退火時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)降低阻尼性能，這是因?yàn)榇女牻Y(jié)構(gòu)中產(chǎn)生了楔形疇，楔形疇對(duì)180和90疇界的移動(dòng)產(chǎn)生了較強(qiáng)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(qiáng)烈地釘扎了主疇的疇界，使疇壁移動(dòng)困難。目前，對(duì)這種疇的形成機(jī)理還沒(méi)有明確的認(rèn)識(shí)，有待進(jìn)一步研究。張建福等研究了合金元素對(duì)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(dāng)?shù)臒崽幚砗?，F(xiàn)e-Cr-Mn-Si合金的阻尼值可達(dá)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(duì)Fe-25Cr-5Al（重量百分?jǐn)?shù)）合金磁學(xué)力學(xué)阻尼性能的影響。實(shí)驗(yàn)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(xué)力學(xué)阻尼強(qiáng)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(duì)該合金的磁學(xué)力學(xué)阻尼性能的影響與溫度對(duì)它的磁性能的影響是相似的，即：隨溫度的增加，磁學(xué)力學(xué)阻尼降低，到一定溫度時(shí)，阻尼值達(dá)最低。三、結(jié)論低頻下，鐵

13、磁材料的阻尼主要來(lái)源于磁學(xué)-力學(xué)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(shí)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(xué)力學(xué)阻尼實(shí)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(dòng)計(jì)劃”資助項(xiàng)目（06-E-011）江蘇省教育廳基金資助項(xiàng)目（04 KJD 140172和05KJD430199）參考文獻(xiàn):1A. Karimi, P. H. Giauque, and J. L. Martin, Magnetomechanical Damping in Plasma Sprayed Iron-Chromium Base

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