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嘉峪检测网 2019-08-13 11:41
本文从分析测试方法研发的角度，摸索了采用DSC热流法、比热法、热膨胀法分别测试非晶合金居里温度的测试方法。分别从升温速度、坩埚选择、称样量等几方面摸索了热分析试验条件。研究表明，在合适的试验条件下，可以采用DSC法或采用热膨胀方法测试其居里转变温度。为了更好地理解非晶合金居里转变的转变机理，本文进一步对同一种非晶薄带的居里温度转变过程分别采用不同的热分析方法进行了试验过程的摸索，通过试验现象及结果进一步分析了非晶合金居里转变过程的本质特征。综合以上3种测试方法的结果，可以帮助我们分析非晶合金居里转变过程中热学性能变化的内在机理。
1.试验部分
1.1仪器设备及材料
1.2试验方法
1.2.1差示扫描量热法测试居里温度
采用不同的的升温速率、不同的称样量、不同的坩埚类型分别测定该材料的热分析曲线。整个试验过程采用高纯氩气（纯度99.999%，40ml/min）吹扫。
1.2.3热膨胀仪法测试居里温度
将非晶薄带卷绕成圆筒状，置于热膨胀仪内，测试热膨胀特性。测试过程中热膨胀仪推杆顶在试样端面上，由位移传感器测得试样的长度变化，由试样附近的热电偶测得温度，采用热分析标准物质Zn校正系统温度。测试过程中要保持试样卷筒的稳定性，且注意保持热膨胀仪推杆与试样卷筒的同轴性。测试了升温速度为4K/min的热膨胀曲线。
2结果与讨论
2.1差示扫描量热法测试热流曲线
分别测试了不同试验条件下的DSC测试曲线，如不同的试验速度、不同的试验量、不同的坩埚类型，根据所得结果进行分析发现，采用Al坩埚、称样量质量为5～10mg、升温速度10K/min以上的试验得到的曲线信号灵敏度较好，可以得到能够辨识的信号。采用6.28、9.98mg两种称样量的非晶合金DSC热流曲线，如图1所示。由图1可以看出，约在400℃左右，曲线出现了信号变化。对于FeSiB类材料，非晶态转变为晶态组织的晶化转变发生在约500℃左右，而该信号变化出现在晶化反应之前的约400℃左右，根据前人的检测可知此处对应的是居里转变，也就是说，在采用差示扫描量热仪测试非晶带材居里转变时，其居里转变过程表现为一个较微弱的类似抖动信号的转变特征。虽然信号相对较弱，但还是可以辨识出来，作为检测判定依据。比起采用磁测法测试居里温度的方法，该检测过程可以一条曲线同时检测出非晶合金的居里转变温度、晶化温度等信号，对于工业生产来说，该检测方法具有快速、直接、明了的特点，具有磁测法不可比拟的优点，值得推广。
图1 铁基非晶带不同称样量测试居里转变过程
2.2差示扫描量热法测试曲线
考虑到DSC曲线纵坐标与材料的比热相关，因此DSC热流信号变化说明材料出现了比热变化。为此，进一步采用DSC分析了试验材料的比热变化曲线，升温速率采用2K/min，测试结果如图2所示。可以看出，该材料在约400℃左右出现比热变化，比热值在居里转变前后发生较明显的下降，但曲线不是典型的一级相变峰峰形。居里转变前的材料比热值约为－13J/（g·k）（－表示为吸热），居里转变过程中比热下降，至居里转变结束比热值降为约－16J/（g·k），变化了约3J/（g·k），相对变化量约为20%～30%，说明居里转变过程中材料吸热能力加剧。
图2 铁基非晶带比热曲线
2.3热膨胀法测试曲线
图3 非晶薄带沿冷却辊横向、纵向热膨胀曲线
2.4讨论
DSC法测试Fe78Si9B13非晶薄带居里转变过程中，DSC热流曲线上表现为较小温度范围内的信号变化，但由于信号较弱，类似一个小抖动的特征，不太容易获得，需要苛刻的试验条件，这需要在测试材料的居里转变过程时，充分考虑材料的特性，摸索合适的称样量、升温速率、坩埚类型等试验条件。Al坩埚由于Al材质的高导热性，对材料的热信号灵敏度较高，适合于捕捉居里转变这种微弱信号。考虑到升温速率越高，曲线热信号的灵敏性越高，一般来说，适合较高的升温速率。对于本文中的试验用材FeSiB非晶合金，采用Al坩埚、5～10mg、10K/min（包含）以上的升温速度是较为合适的试验条件。
DSC热流曲线实际上反映了试样在温度变化过程中吸收或放出热量的变化，因此也可以说间接反映了材料比热的变化。居里转变过程中的热抖动现象，也可以追溯到材料比热参数的变化。进一步的比热测试曲线表明，比热值在居里转变前后发生了较明显下降，即可以呼应DSC热流信号的抖动现象，也就是说，热流信号的微弱抖动其本质上是材料比热在居里转变过程中下降发生。但比热变化曲线不是典型的一级相变峰峰形，说明该过程不是一级相变。进一步考虑采用DSC设备进行比热测试，测试过程相对复杂，耗时较长，但信号较强，容易判别居里转变特征温度，因此，可以考虑在由于信号较弱，常规DSC热流法无法测出时作为有效的补充。
热膨胀曲线法测试中，非晶合金的居里转变过程为典型的因瓦效应，随着温度升高，试样膨胀，在居里温度点附近，试样出现反常膨胀即收缩，居里温度之后，该材料继续膨胀。这一特征充分表明了该非晶材料在居里转变前后由铁磁性转变为顺磁性的特点。进一步分析，非晶合金的因瓦效应是材料宏观性能的表现，其内在的反应机理与其铁磁性质变化有关。在温度升至接近居里温度Tc时，非晶合金内部的Fe磁畴自旋状态变为铁磁性排列，其具有较大的自发体积，产生明显的磁致伸缩现象，这会一部分抵消了由于正常晶格非谐振动引起的膨胀，从而使得材料整体热膨胀是材料的晶格膨胀与磁致伸缩效应的叠加。非晶带材的磁致伸缩是富Fe类非晶态合金是否具有优异磁特性的关注点之一，磁致伸缩系数反映了材料磁致伸缩的膨胀特性。在高磁导率材料中，磁致伸缩系数接近零的材料成分能形成良好软磁特性，因此，人们往往希望得到磁致伸缩性好的非晶态合金。而实际上，居里温度和饱和磁致伸缩系数之间存在着密切的关系，研究材料的磁致伸缩特性可以从居里转变入手。研究发现，热处理制度通过改变某些成分相的分布，可以对材料的磁致伸缩产生影响，因此，非晶合金的居里转变过程也与非晶材料热处理中某相（如富铁相）迁徙或微观组织改变有关。
3结语
非晶合金的居里转变过程由于热信号比较弱，采用热分析方法进行对应的居里温度测试需要根据材料的热信号状态摸索合适的测试条件。本文分别采用常规的DSC热流法、比热测试法、热膨胀法摸索了测试居里转变温度的合适试验条件。常规DSC热流法由于热信号较弱，需要相对苛刻的试验条件，本文从升温速度、试样称样量、坩埚类型选择摸索了Fe基非晶的居里转变测试条件，能够检测居里转变过程中热流信号出现类似抖动的信号。采用DSC测试材料比热的方法测试了该钢的比热曲线发现，在居里转变时，材料的比热发生明显的下降现象。这反映出了材料在居里转变过程中的热信号变化的本质特征。采用热膨胀法发现，居里转变前后，热膨胀曲线表现出明显的因瓦效应。这反映了非晶合金内部的Fe磁畴自旋状态变为铁磁性排列时，其具有较大的自发体积，产生明显的磁致伸缩现象，部分抵消了由于正常晶格非谐振动引起的膨胀，从而使得材料整体热膨胀是材料的晶格膨胀与磁致伸缩效应的叠加，非晶合金的居里转变过程可能与非晶材料热处理中某相（如富铁相）迁徙或微观组织改变有关。这有待进一步从微观角度研究非晶合金居里转变的内在机理。综合以上3种测试方法的结果，可以得到非晶合金居里转变过程中的热信号全面的分析与评价。
来源：非晶合金
