近日，2022级硕士研究生郄赛尧的硕士学位论文《负热膨胀 MnFeNiGe 基合金的第二相强韧化研究》入选2025年西安交通大学优秀硕士学位论文。祝贺她！她在马天宇教授和刘瑶副教授的共同指导下完成了该论文研究工作。这也是课题组继2018级硕士生乔睿华同学获优秀硕士学位论文以来的第2篇。

论文摘要：

    一级磁相变合金的负热膨胀、巨磁热和大磁应变等物理效应使其成为一类极具应 用前景的先进功能材料。然而，这类金属间化合物材料的本征脆性以及剧烈相变应变 所导致的热循环稳定性差问题，成为当前该领域亟待解决的基础性难题。本文以负热膨胀MnFeNiGe基一级磁相变合金为例，通过凝固过程中原位生成韧性第二相，来实现增强增韧的目的。主要通过Ni过量和Cu掺杂调控六角结构 MnFeNiGe 基合金中第二相的结构、分布和体积分数，研究了第二相晶体结构和体积分数对合金力学性能和 负热膨胀性能的作用规律，探讨了第二相强韧化的微观机制，并通过优化成分调控第二相结构和形态，研制出了高强韧巨负热膨胀效应新合金。

    首先，设计了Ni过量的 Mn0.93Fe0.07Ni1+xGe新合金，通过形成富Ni第二相，有效避免了合金在熔炼过程中的开裂。系统研究了 Ni 过量的 Mn0.93Fe0.07Ni1+xGe(at.%)合金的相组成、力学性能和热膨胀性能，结果表明：当Ni过量大于8at.%（即 x ≥ 0.08）时， 在合金母相开始析出六角结构的 MnNi1.3Ge0.7第二相；当Ni过量15at.% (即 x ≥ 0.15) 时，可避免合金熔炼后热应力诱发一级磁相变的开裂现象。随x值增大，合金中 MnNi1.3Ge0.7第二相体积分数增加，持续提高抗压强度，当x值为 0.26 时，合金的抗压强度为79MPa。Mn0.93Fe0.07Ni1.15Ge合金具有优异的负热膨胀性能，热膨胀系数为α̅L= -3582 ppm/K，优于目前报道的大多数负热膨胀材料。

    其次，通过调控Mn0.93Fe0.07NiGe合金中Cu掺杂量，形成半共格富Cu纳米析出相，显著提高了合金的抗压强度。在Mn0.93Fe0.07NiCuyGe(at.%)合金中，研究了Cu掺杂量对合金相组成和性能的影响，结果表明：当Cu掺杂量为15at.%时（即 y = 0.15），在合金中析出了网状的六角结构 MnNi1.3Ge0.7 富 Ni 相；当 y=0.22 时，合金中又析出 了弥散的面心立方Cu5Ge纳米颗粒，从而显著改善合金力学性能。当y为0.75 时，合金的抗压强度高达975 MPa，优于其他同类型MM’X一级磁相变合金。此外，合适Cu掺杂量还可拓宽相变温区，从而使合金在宽温域保持优异的负热膨胀性能。

    最后，结合断口形貌分析和微结构表征，阐明了纳米富Cu相增强MnFeNiGe合金力学性能的微观机制。断口形貌分析和裂纹扩展实验表明，面心立方 Cu5Ge纳米颗 粒可有效抑制合金的裂纹扩展，使合金的断裂方式由沿晶断裂转变为穿晶解理断裂。 进一步采用 HR-TEM 表征了合金中 Cu5Ce 析出相与母相的位向关系和界面原子结构，该相与母相保持半共格关系。通过EBSD位错密度和滑移机制分析，证明纳米Cu5Ge相为韧性相，更易产生位错，并可通过低错配相界面将位错传递到脆性母相中，从而提高合金的强韧性。