解析Sm2Co17型永磁体中的机械各向异性

《Journal of Materials Research and Technology》：Unraveling the mechanical anisotropy in Sm2Co17-type permanent magnets

　　王思迪|东创辉|刘蕾|吴海晨|王家斌|宋帅康|孙颖莉|丁勇|严阿鲁材料科学与化学工程学院，宁波大学，中国宁波315211摘要：在高冲击或振动条件下，Sm2Co17型永磁体表现出明显的机械各向异性和易断裂的特性，这严重影响了它们的使用寿命和 operational 可靠性。为了研究这种行为，从同一块磁体上切割出矩形样品。一组样品的长边与c轴平行，而另一组样品的长边与c轴垂直。断裂分析显示，与c轴平行的表面具有更明显的河流状裂纹和解理台阶。维氏压痕测试进一步表明，该表面的主要裂纹平均长度较短，并且在压痕边缘形成了更多的微裂纹。在晶粒尺寸、低角度晶界（LAGBs）的数量以及与c轴垂直和平行的表面上的剪切带形成方面观察到了显著的各向异性。具体来说，与c轴平行的表面具有更小的晶粒尺寸、更高的LAGBs密度以及在施加载荷时形成剪切带的倾向。这些微观结构特征提高了弯曲强度和变形能力。本研究为理解Sm2Co17型永磁体的机械各向异性背后的微观变形机制提供了重要见解。1. 引言Sm2Co17型永磁体表现出出色的高温磁性能（高达500°C）和优异的热稳定性，使其在航空航天驱动器、井下石油工具和先进电动推进系统等高要求的应用中不可或缺[1] [2] [3] [4] [5]。然而，它们固有的脆性和强烈的机械各向异性使它们在复杂的机械载荷条件下容易发生早期裂纹或剥落——尤其是在高冲击或高振动环境中[6] [7] [8]。烧结Sm2Co17型永磁体的微观结构通常由数百微米大小的晶粒组成，其中均匀分散着Sm2O3微粒和富锆纳米颗粒[9] [10]。在晶粒内部，观察到一种特征性的蜂窝状结构，包括富铁的2:17R晶胞相、富铜的1:5H晶界相以及与(0001)基面对齐的富锆的1:3R层状相[11] [12] [13] [14] [15]。先前的研究表明，Sm2Co17型永磁体的机械各向异性和断裂敏感性与其2:17R、1:5H和1:3R相的晶体结构密切相关[7] [16]。此外，强(0001)织构会进一步增强磁体的机械各向异性[17] [18]。作为回应，人们已经投入了大量努力来减轻Sm2Co17型磁体的机械各向异性和脆性[19] [20] [21] [22]。例如，调整Zr含量已被证明可以有效地改变晶粒内部1:3R层状相的密度和2:17R晶胞相的大小，从而显著降低机械各向异性并改变弯曲强度[23]。此外，低温处理已被证明可以显著提高最弱方向上的弯曲强度，从而显著降低机械各向异性并显著改善整体弯曲性能[24]。尽管已经探索了多种方法来减轻机械各向异性并提高弯曲强度，但对与c轴垂直和平行的表面的断裂形态和变形行为从宏观到微观尺度的系统研究仍然不足。这样的研究对于阐明Sm2Co17型磁体机械各向异性背后的微观变形机制以及指导其机械性能的优化至关重要。在这项工作中，我们首先使用扫描电子显微镜（SEM）分析与c轴垂直和平行的表面的断裂形态和维氏显微硬度压痕。为了识别背后的机制，使用电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）来表征两种表面取向下的晶粒结构和变形微观结构。最后，对从同一块磁体中切割出的样品（长边平行或垂直于a轴）进行了机械性能测试，以验证分析结论。2. 材料和方法研究了名义成分为Sm(Co0.78Fe0.22Cu0.06Zr0.023)7.92（按百分比计）的商用Sm2Co17型烧结磁体。该磁体的室温剩磁（Br）为11.7 kGs，内禀矫顽力（Hcj）大于27 kOe，最大能量积（(BH)max）为31.7 MGOe，其退磁曲线如图1所示。为了评估弯曲强度，进行了三点弯曲试验。从块状磁体加工出尺寸为20毫米长（l）、6毫米宽（b）和5毫米高（h）的矩形试样。为了研究Sm2Co17型永磁体的机械各向异性，将块状磁体分成两组。一组的长边与c轴平行，另一组的长边与c轴垂直，如图2(a)所示。测试前，使用800、1000和1200目的砂纸依次对试样表面进行抛光。在弯曲试验中，载荷方向沿着试样的高度方向，如图2(b)所示。每组包含五个试样，并计算了每组的平均弯曲强度。使用配备3 MPa载荷单元和0.5 mm/min载荷率的通用测试机（Roell Z030TE）测量弯曲强度。此外，使用Vickers显微硬度测试仪（MH-500D）在最大载荷9.8 N下进行了裂纹评估。下载：下载高分辨率图像（190KB）下载：下载全尺寸图像图1. 磁体的室温退磁曲线下载：下载高分辨率图像（170KB）下载：下载全尺寸图像图2. (a) 沿不同轴线切割的试样示意图；(b) 三点弯曲试验。使用ZEISS Gemini 300扫描电子显微镜（SEM）对磁体的微观结构进行了表征，该显微镜配备了背散射电子（BSE）成像、二次电子（SE）成像和电子背散射衍射（EBSD）分析功能。使用Nano Measurer软件量化了晶粒尺寸分布。对于纳米级结构分析，使用Talos F200X透射电子显微镜（TEM）在200 kV下进行了明场（BF）成像、高角度环状暗场（HAADF）成像、选区电子衍射（SAED）图案和能量色散X射线光谱（EDS）分析。这些技术用于检查原始状态和变形区域中的纳米结构和剪切带。TEM试样是通过Helios G4系统的聚焦离子束（FIB）铣削制备的。3. 结果与讨论3.1. XRD分析使用Cu Kα射线的X射线衍射（XRD）分析了磁体的相结构。磁体粉末的XRD图谱如图3所示。通过与标准PDF卡片比较，磁体显示出2:17R相的特征峰，即(104)-2:17R在2θ约为31.7°，(211)-2:17R在2θ约为33.1°，(204)-2:17R在2θ约为38.2°，表明磁体由2:17R相和1:5H相组成。2:17R和1:5H相的形成是Sm2Co17型磁体优异磁性能的重要基础[10]。下载：下载高分辨率图像（204KB）下载：下载全尺寸图像图3. 磁体粉末的X射线衍射（XRD）光谱3.2. 断裂形态和维氏显微硬度压痕使用SEM表征了与c轴垂直和平行的表面的断裂形态，分别如图4(a)和(b)所示。两个表面都显示出河流状裂纹和解理台阶，没有观察到纤维拔出、剪切唇或横截面积减少的迹象。这些观察结果证实了磁体的断裂机制是脆性解理断裂，与先前的参考文献[6] [17] [18]一致。值得注意的是，与c轴平行的表面显示出更密集的河流状裂纹和更细小的解理台阶。此外，在该表面上观察到一个大的径向裂纹源，如图4(b)中的红色虚线圈所示。与c轴垂直和平行的表面的维氏显微硬度压痕图像分别如图4(c)和(d)所示。两个表面上都分布着稀疏的Sm2O3颗粒（亮对比度特征）。在相同的载荷下，与c轴垂直的表面出现了四条主要裂纹，如图4(c)中的红色箭头所示。这些裂纹沿斜方压痕的对角线传播，压痕边缘有一个明确的边界。主要裂纹的平均长度约为36.8 μm。相比之下，在与c轴平行的表面上，除了四条主要裂纹外，在压痕周围还观察到了更多的细小微裂纹，如图4(d)中的白色箭头所示。主要裂纹的平均长度略短，约为34.2 μm。结合断裂和压痕形态的分析，与c轴平行的表面显示出更密集的河流状裂纹和解理台阶分布、压痕边缘附近的更多细小微裂纹以及更短的主要裂纹长度。这些特征表明该方向的应力释放机制更为有效。下载：下载高分辨率图像（1MB）下载：下载全尺寸图像图4. 断裂形态和维氏显微硬度压痕的SEM图像：(a, c) 与c轴垂直的表面；(b, d) 与c轴平行的表面。3.3. 晶粒分析为了研究两个表面上断裂形态和压痕形态差异的原因，分析了两个表面的晶粒形态。在磁体中观察到了强烈的<0001>纤维织构，如图5(a)中的倒极图（IPF）图所示。在与c轴平行的表面上，主要的晶体取向是<2 >和<10 >，如图5(b)所示。这些优先取向有助于提高Sm2Co17型磁体的磁性能。两个表面的晶粒尺寸分布图分别如图5(c)和(d)所示。分别分析了大约300个和260个晶粒。与c轴垂直和平行的表面的平均晶粒尺寸分别为53.0 ± 2.7 μm和47.6 ± 2.1 μm。晶粒尺寸分布显示出明显的各向异性。一般来说，较小的晶粒尺寸会导致更高的机械强度。两个表面的晶界图分别如图5(e)和(f)所示。在这些图中，红线代表低角度晶界（LAGBs，定义为2° ≤ θ < 10°），黑线代表高角度晶界（HAGBs，定义为θ ≥ 10°）。LAGBs的比例显示出显著的各向异性，与c轴垂直的表面为4.3 ± 0.9%，与平行表面为13.7 ± 1.3%。可以看出，与c轴平行的表面具有显著更高比例的LAGBs。LAGBs对机械性能具有双重影响[25]。虽然它们通过裂纹偏转和能量耗散机制提高了断裂韧性，但其相对于HAGBs较低的界面强度可能会同时削弱裂纹扩展的抵抗力，最终限制了强度的提高。下载：下载高分辨率图像（2MB）下载：下载全尺寸图像图5. EBSD图、晶粒尺寸分布图和晶界图：(a, c, e) 与c轴垂直的表面；(b, d, f) 与c轴平行的表面。3.4. 压痕下的变形微观结构为了研究与c轴垂直的表面上的变形微观结构，从磁体的(2 )平面上的压痕中提取了一个沿c轴方向的TEM试样。包括未变形和变形区域的相应TEM图像如图6(a)所示。在未变形区域，磁体基体保持明显的蜂窝状结构，这一点通过BF-TEM图像和图6(a1)中的SAED图案得到确认。蜂窝状结构由2:17R晶胞相和1:5H晶界相组成，如红色三角形所示。在由压痕引起的变形区域中，观察到长而直的剪切带穿过蜂窝状结构，如图6(a2)中的黄色虚线所示。图6(a1)中的锐利衍射图案在图6(a2)中变成了几乎是圆形的环状图案，进一步证实了压痕引起的结构混杂。这些剪切带沿(10 0)和(01 0)平面形成，密度为（9 ± 1.2）条/μm2。为了研究与c轴平行的表面的变形微观结构，从磁体的(0001)平面上的压痕中提取了另一个沿c轴垂直方向的TEM试样。相应的TEM图像（包括未变形和变形区域）显示在图6(b)中。在未变形区域，细胞结构清晰可见且完整，这一点通过BF-TEM图像和图6(b1)中的SAED图案得到了证实。除了2:17R和1:5H相外，还观察到了取向为1:3R的片状相。值得注意的是，在变形区域，观察到了高密度的剪切带网络，这一点通过图6(b2)中的黄色虚线得到了证实。与之前的情况类似，图6(b1)中的清晰衍射图案在图6(b2)中变成了近似圆形的环。值得注意的是，这些剪切带可以沿着(10 1)、(10)和(0001)平面形成。该表面的剪切带密度为(15 ± 2.1)条/μm2。由于剪切带数量的增加，细胞结构的破坏更为明显。Sm2Co17型磁体的矫顽力主要来源于1:5H相对畴壁的钉扎作用。剪切带导致的细胞结构显著退化降低了该区域钉扎畴壁的能力，从而增加了其对磁反转的敏感性。

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图6. 与c轴垂直（a）和平行（b）的表面的TEM图像。(a1, a2)和(b1, b2)分别显示了(a)和(b)中未变形和变形区域的BF-TEM图像。插图展示了相应区域的SAED图案。

图7(a)进一步展示了与c轴垂直的表面上变形区域的BF-TEM图像和相应的元素分布图。沿(10 0)或(01 0)平面的剪切带穿过细胞结构，导致富含Cu的1:5H相发生位移和破碎，这在Cu元素分布图中用红色虚线矩形表示。同样，图7(b)显示了与c轴平行表面上变形区域的BF-TEM图像和元素分布图。沿(0001)平面的剪切带也穿过细胞结构，引起富含Cu的1:5H相类似的变形。此外，沿(10 1)或(10)平面的剪切带与片状1:3R相相交，导致富含Zr的1:3R相发生位移和破碎，这在Zr元素分布图中用黄色虚线矩形标记。变形甚至损坏的1:5H相会导致相内畴壁分布不连续，从而削弱其钉扎能力，进而降低矫顽力。相比之下，富含Zr的层状相对畴壁的钉扎作用可以忽略不计。因此，剪切带引起的这种相的断裂对矫顽力和畴壁动力学的影响很小。

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图7. 与c轴垂直（a）和平行（b）的表面上变形区域的BF-TEM图像和相应的元素分布图。

3.5. 机械性能
不同取向（F⊥c和F//c）的试样的弯曲应力-应变曲线及相应的平均弯曲强度显示在图8中，每种取向测试了五个试样（具体数值见表1）。值得注意的是，沿c轴平行加载的试样始终显示出比沿c轴垂直加载的试样更高的弯曲强度。这种机械各向异性与断裂表面观察到的微观结构特征相关（见图9）。与c轴平行的断裂表面具有更细的晶粒尺寸，这阻碍了裂纹的扩展并提高了弯曲强度。此外，这种取向还具有更高的LAGB（低角度晶界）密度和更多的剪切带形成。LAGB具有双重功能：它们通过裂纹偏转来缓解应力集中，同时促进剪切带的移动，从而在该方向上促进显著的变形。至关重要的是，增加的剪切带形成起到了塑性载体的作用[26]，使得在应变下能够实现无位错的塑性变形[27][28]。这种机制解释了图8中观察到的沿c轴平行试样的更大变形。

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图8. 不同取向试样的弯曲应力-应变曲线及相应的平均弯曲强度。

表1. 两个方向的弯曲强度值
取向 弯曲强度/MPa 标准差（SE） 平均值
F⊥c 10 2.8 13.4 12.5 11.6 5.5 11.9 4.0
F//c 16 4.0 18.0 17.9 18.2 15.6 5.2 17.2

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图9. 显示Sm2Co17型磁体与c轴垂直和平行取向的断裂表面微观结构特征的示意图。

4. 结论
在这项研究中，我们从宏观到微观尺度系统地研究了Sm2Co17型磁体的断裂形态和变形行为，重点关注与c轴垂直和平行的表面。目的是阐明导致机械各向异性的微观结构变形机制。在晶粒尺寸分布、低角度晶界（LAGB）密度和剪切带形成方面观察到了显著的各向异性——这些特征在两个表面之间有明显的差异。具体来说，与c轴平行的表面具有更细的晶粒尺寸和更高的LAGB密度。此外，在载荷作用下，该表面的剪切带主要沿{1011}和{0001}晶面激活，这增强了剪切活性，从而提高了变形能力。这些微观结构特征和变形行为贡献了沿c轴方向测得的优异机械性能（例如强度和延展性）。

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