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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2019-08-13 11:41
本文從分析測(cè)試方法研發(fā)的角度，摸索了采用DSC熱流法、比熱法、熱膨脹法分別測(cè)試非晶合金居里溫度的測(cè)試方法。分別從升溫速度、坩堝選擇、稱(chēng)樣量等幾方面摸索了熱分析試驗(yàn)條件。研究表明，在合適的試驗(yàn)條件下，可以采用DSC法或采用熱膨脹方法測(cè)試其居里轉(zhuǎn)變溫度。為了更好地理解非晶合金居里轉(zhuǎn)變的轉(zhuǎn)變機(jī)理，本文進(jìn)一步對(duì)同一種非晶薄帶的居里溫度轉(zhuǎn)變過(guò)程分別采用不同的熱分析方法進(jìn)行了試驗(yàn)過(guò)程的摸索，通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果進(jìn)一步分析了非晶合金居里轉(zhuǎn)變過(guò)程的本質(zhì)特征。綜合以上3種測(cè)試方法的結(jié)果，可以幫助我們分析非晶合金居里轉(zhuǎn)變過(guò)程中熱學(xué)性能變化的內(nèi)在機(jī)理。
1.試驗(yàn)部分
1.1儀器設(shè)備及材料
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1差示掃描量熱法測(cè)試居里溫度
采用不同的的升溫速率、不同的稱(chēng)樣量、不同的坩堝類(lèi)型分別測(cè)定該材料的熱分析曲線。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程采用高純氬氣（純度99.999%，40ml/min）吹掃。
1.2.3熱膨脹儀法測(cè)試居里溫度
將非晶薄帶卷繞成圓筒狀，置于熱膨脹儀內(nèi)，測(cè)試熱膨脹特性。測(cè)試過(guò)程中熱膨脹儀推桿頂在試樣端面上，由位移傳感器測(cè)得試樣的長(zhǎng)度變化，由試樣附近的熱電偶測(cè)得溫度，采用熱分析標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)Zn校正系統(tǒng)溫度。測(cè)試過(guò)程中要保持試樣卷筒的穩(wěn)定性，且注意保持熱膨脹儀推桿與試樣卷筒的同軸性。測(cè)試了升溫速度為4K/min的熱膨脹曲線。
2結(jié)果與討論
2.1差示掃描量熱法測(cè)試熱流曲線
分別測(cè)試了不同試驗(yàn)條件下的DSC測(cè)試曲線，如不同的試驗(yàn)速度、不同的試驗(yàn)量、不同的坩堝類(lèi)型，根據(jù)所得結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，采用Al坩堝、稱(chēng)樣量質(zhì)量為5～10mg、升溫速度10K/min以上的試驗(yàn)得到的曲線信號(hào)靈敏度較好，可以得到能夠辨識(shí)的信號(hào)。采用6.28、9.98mg兩種稱(chēng)樣量的非晶合金DSC熱流曲線，如圖1所示。由圖1可以看出，約在400℃左右，曲線出現(xiàn)了信號(hào)變化。對(duì)于FeSiB類(lèi)材料，非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)組織的晶化轉(zhuǎn)變發(fā)生在約500℃左右，而該信號(hào)變化出現(xiàn)在晶化反應(yīng)之前的約400℃左右，根據(jù)前人的檢測(cè)可知此處對(duì)應(yīng)的是居里轉(zhuǎn)變，也就是說(shuō)，在采用差示掃描量熱儀測(cè)試非晶帶材居里轉(zhuǎn)變時(shí)，其居里轉(zhuǎn)變過(guò)程表現(xiàn)為一個(gè)較微弱的類(lèi)似抖動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)變特征。雖然信號(hào)相對(duì)較弱，但還是可以辨識(shí)出來(lái)，作為檢測(cè)判定依據(jù)。比起采用磁測(cè)法測(cè)試居里溫度的方法，該檢測(cè)過(guò)程可以一條曲線同時(shí)檢測(cè)出非晶合金的居里轉(zhuǎn)變溫度、晶化溫度等信號(hào)，對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，該檢測(cè)方法具有快速、直接、明了的特點(diǎn)，具有磁測(cè)法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，值得推廣。
圖1 鐵基非晶帶不同稱(chēng)樣量測(cè)試居里轉(zhuǎn)變過(guò)程
2.2差示掃描量熱法測(cè)試曲線
考慮到DSC曲線縱坐標(biāo)與材料的比熱相關(guān)，因此DSC熱流信號(hào)變化說(shuō)明材料出現(xiàn)了比熱變化。為此，進(jìn)一步采用DSC分析了試驗(yàn)材料的比熱變化曲線，升溫速率采用2K/min，測(cè)試結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，該材料在約400℃左右出現(xiàn)比熱變化，比熱值在居里轉(zhuǎn)變前后發(fā)生較明顯的下降，但曲線不是典型的一級(jí)相變峰峰形。居里轉(zhuǎn)變前的材料比熱值約為－13J/（g·k）（－表示為吸熱），居里轉(zhuǎn)變過(guò)程中比熱下降，至居里轉(zhuǎn)變結(jié)束比熱值降為約－16J/（g·k），變化了約3J/（g·k），相對(duì)變化量約為20%～30%，說(shuō)明居里轉(zhuǎn)變過(guò)程中材料吸熱能力加劇。
圖2 鐵基非晶帶比熱曲線
2.3熱膨脹法測(cè)試曲線
圖3 非晶薄帶沿冷卻輥橫向、縱向熱膨脹曲線
2.4討論
DSC法測(cè)試Fe78Si9B13非晶薄帶居里轉(zhuǎn)變過(guò)程中，DSC熱流曲線上表現(xiàn)為較小溫度范圍內(nèi)的信號(hào)變化，但由于信號(hào)較弱，類(lèi)似一個(gè)小抖動(dòng)的特征，不太容易獲得，需要苛刻的試驗(yàn)條件，這需要在測(cè)試材料的居里轉(zhuǎn)變過(guò)程時(shí)，充分考慮材料的特性，摸索合適的稱(chēng)樣量、升溫速率、坩堝類(lèi)型等試驗(yàn)條件。Al坩堝由于Al材質(zhì)的高導(dǎo)熱性，對(duì)材料的熱信號(hào)靈敏度較高，適合于捕捉居里轉(zhuǎn)變這種微弱信號(hào)?？紤]到升溫速率越高，曲線熱信號(hào)的靈敏性越高，一般來(lái)說(shuō)，適合較高的升溫速率。對(duì)于本文中的試驗(yàn)用材FeSiB非晶合金，采用Al坩堝、5～10mg、10K/min（包含）以上的升溫速度是較為合適的試驗(yàn)條件。
DSC熱流曲線實(shí)際上反映了試樣在溫度變化過(guò)程中吸收或放出熱量的變化，因此也可以說(shuō)間接反映了材料比熱的變化。居里轉(zhuǎn)變過(guò)程中的熱抖動(dòng)現(xiàn)象，也可以追溯到材料比熱參數(shù)的變化。進(jìn)一步的比熱測(cè)試曲線表明，比熱值在居里轉(zhuǎn)變前后發(fā)生了較明顯下降，即可以呼應(yīng)DSC熱流信號(hào)的抖動(dòng)現(xiàn)象，也就是說(shuō)，熱流信號(hào)的微弱抖動(dòng)其本質(zhì)上是材料比熱在居里轉(zhuǎn)變過(guò)程中下降發(fā)生。但比熱變化曲線不是典型的一級(jí)相變峰峰形，說(shuō)明該過(guò)程不是一級(jí)相變。進(jìn)一步考慮采用DSC設(shè)備進(jìn)行比熱測(cè)試，測(cè)試過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)，但信號(hào)較強(qiáng)，容易判別居里轉(zhuǎn)變特征溫度，因此，可以考慮在由于信號(hào)較弱，常規(guī)DSC熱流法無(wú)法測(cè)出時(shí)作為有效的補(bǔ)充。
熱膨脹曲線法測(cè)試中，非晶合金的居里轉(zhuǎn)變過(guò)程為典型的因瓦效應(yīng)，隨著溫度升高，試樣膨脹，在居里溫度點(diǎn)附近，試樣出現(xiàn)反常膨脹即收縮，居里溫度之后，該材料繼續(xù)膨脹。這一特征充分表明了該非晶材料在居里轉(zhuǎn)變前后由鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘奶攸c(diǎn)。進(jìn)一步分析，非晶合金的因瓦效應(yīng)是材料宏觀性能的表現(xiàn)，其內(nèi)在的反應(yīng)機(jī)理與其鐵磁性質(zhì)變化有關(guān)。在溫度升至接近居里溫度Tc時(shí)，非晶合金內(nèi)部的Fe磁疇自旋狀態(tài)變?yōu)殍F磁性排列，其具有較大的自發(fā)體積，產(chǎn)生明顯的磁致伸縮現(xiàn)象，這會(huì)一部分抵消了由于正常晶格非諧振動(dòng)引起的膨脹，從而使得材料整體熱膨脹是材料的晶格膨脹與磁致伸縮效應(yīng)的疊加。非晶帶材的磁致伸縮是富Fe類(lèi)非晶態(tài)合金是否具有優(yōu)異磁特性的關(guān)注點(diǎn)之一，磁致伸縮系數(shù)反映了材料磁致伸縮的膨脹特性。在高磁導(dǎo)率材料中，磁致伸縮系數(shù)接近零的材料成分能形成良好軟磁特性，因此，人們往往希望得到磁致伸縮性好的非晶態(tài)合金。而實(shí)際上，居里溫度和飽和磁致伸縮系數(shù)之間存在著密切的關(guān)系，研究材料的磁致伸縮特性可以從居里轉(zhuǎn)變?nèi)胧?。研究發(fā)現(xiàn)，熱處理制度通過(guò)改變某些成分相的分布，可以對(duì)材料的磁致伸縮產(chǎn)生影響，因此，非晶合金的居里轉(zhuǎn)變過(guò)程也與非晶材料熱處理中某相（如富鐵相）遷徙或微觀組織改變有關(guān)。
3結(jié)語(yǔ)
非晶合金的居里轉(zhuǎn)變過(guò)程由于熱信號(hào)比較弱，采用熱分析方法進(jìn)行對(duì)應(yīng)的居里溫度測(cè)試需要根據(jù)材料的熱信號(hào)狀態(tài)摸索合適的測(cè)試條件。本文分別采用常規(guī)的DSC熱流法、比熱測(cè)試法、熱膨脹法摸索了測(cè)試居里轉(zhuǎn)變溫度的合適試驗(yàn)條件。常規(guī)DSC熱流法由于熱信號(hào)較弱，需要相對(duì)苛刻的試驗(yàn)條件，本文從升溫速度、試樣稱(chēng)樣量、坩堝類(lèi)型選擇摸索了Fe基非晶的居里轉(zhuǎn)變測(cè)試條件，能夠檢測(cè)居里轉(zhuǎn)變過(guò)程中熱流信號(hào)出現(xiàn)類(lèi)似抖動(dòng)的信號(hào)。采用DSC測(cè)試材料比熱的方法測(cè)試了該鋼的比熱曲線發(fā)現(xiàn)，在居里轉(zhuǎn)變時(shí)，材料的比熱發(fā)生明顯的下降現(xiàn)象。這反映出了材料在居里轉(zhuǎn)變過(guò)程中的熱信號(hào)變化的本質(zhì)特征。采用熱膨脹法發(fā)現(xiàn)，居里轉(zhuǎn)變前后，熱膨脹曲線表現(xiàn)出明顯的因瓦效應(yīng)。這反映了非晶合金內(nèi)部的Fe磁疇自旋狀態(tài)變?yōu)殍F磁性排列時(shí)，其具有較大的自發(fā)體積，產(chǎn)生明顯的磁致伸縮現(xiàn)象，部分抵消了由于正常晶格非諧振動(dòng)引起的膨脹，從而使得材料整體熱膨脹是材料的晶格膨脹與磁致伸縮效應(yīng)的疊加，非晶合金的居里轉(zhuǎn)變過(guò)程可能與非晶材料熱處理中某相（如富鐵相）遷徙或微觀組織改變有關(guān)。這有待進(jìn)一步從微觀角度研究非晶合金居里轉(zhuǎn)變的內(nèi)在機(jī)理。綜合以上3種測(cè)試方法的結(jié)果，可以得到非晶合金居里轉(zhuǎn)變過(guò)程中的熱信號(hào)全面的分析與評(píng)價(jià)。
來(lái)源：非晶合金
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