摘要：文章以13μm厚的Finemet基Fe基非晶纳米晶合金条带为研究对象，采用冷热循环处理、激光处理工艺和纵向磁场退火复合工艺，通过差示扫描量热法（DSC）、磁性能测试表征了其热学与磁性能，借助扫描电子显微镜（SEM）及X射线衍射（XRD）分析其微观结构，系统探究了不同工艺条件下，合金非均匀结构的演变规律，以及该结构演变对合金变形行为与软磁性能的内在影响机制。

　　关键词：Fe基非晶合金；冷热循环处理；激光处理；纵向磁场退火

　　铁基非晶纳米晶合金凭借以非晶态为基础的纳米晶化复合结构，在高频场景下展现出优异的低损耗特性，能够充分满足新能源汽车驱动电机、高频变压器等电力电子器件的高性能需求［1］。

　　应力场能够降低非晶合金的原子跃迁能垒，进而促进其能量状态演变；而温度场虽不改变跃迁能垒的固有高度，但可通过增强原子热振动幅度提升原子跨垒概率，从而推动其状态发生跃迁［2］。2017年Ping团队以自由体积模型和剪切转变区模型为基础，引入逾渗理论阐释剪切转变区局域不利团簇剪切失稳引发的塑性流变，提出非晶合金屈服非随机，当不稳定团簇连接达连通阈值时，逾渗效应触发屈服［3］。戴健等采用RMC模拟与Voronoi分形分析，获得了Fe81S 9B11非晶合金淬态及三种退火样品的Voronoi多面体分布数据，为该体系合金的微观结构表征提供了关键支撑［4］。韩志勇等发现Fe原子3d轨道有4个未配对电子，Ni原子仅2个，这使Ni原子磁矩远低于Fe原子，也是非晶合金饱和磁感应强度随Ni与Fe比例升高而下降的核心原因［5］。

　　软磁材料指矫顽力低于1000A/m的磁性材料，能快速响应外磁场，以小磁滞损耗调整内禀磁场，被广泛用于变压器铁芯、电机机芯等，在能源电力传输、高频通讯设备、微纳尺度制造等领域作用重大［6］。

　　1实验材料与方法

　　1.1实验材料

　　实验选用商用Finemet合金条带，其化学式为Fe73.5 Si15.5B7Nb3Cu1，原始状态为薄带形态，宽度3mm，厚度13μm。

　　1.2试验方法

　　将样品置于可以提拉的小型容器中进行冷热循环处理，本实验采用小型不锈钢圆筒，可耐高温。实验选用的硅油沸点约为300℃。实验流程为先将样品置于液氮中30s，然后快速取出浸入热油中30s，此为一个循环。本实验设定循环次数15次，油浴温度设定为70℃、150℃、230℃。

　　文章采用激光刻痕与激光点阵两种激光处理方法，使用仪器为光纤激光器，最大激光功率为50W，工作电压220V、50/60kHz。先用磁铁将条带样品平整固定于工作台上，再按设定的参数对条带进行加工。激光参数设定为功率10W，频率50kHz，扫描速度1000mm/s。刻痕间距设定为1mm与3mm，点阵间距设定为1mm与0.5mm。

　　2冷热循环处理对Finemet条带的影响

　　2.1 DSC分析与热稳定性研究

　　对冷热循环处理前后的Finemet合金条带进行DSC测试发现，两条曲线的Tg与Tx特征峰位置无显著偏移，由此可知，冷热循环过程中产生的热应力未引发合金内部出现大量自由体积累积或原子短程有序区的显著重构，既未降低合金发生玻璃化转变的能量阈值，也未改变晶核形核与长大的热力学条件。

　　2.2磁性能变化

　　2.2.1磁导率的演变

　　如图1所示，CTC70磁导率在100kHz达3050.6，与原始状态基本一致，表明低温循环未显著改变材料内部磁畴结构与晶界钉扎效应。高温循环加剧晶粒粗化，晶界密度显著下降，对磁畴的钉扎作用大幅减弱，磁畴可在外场下更自由地转动与迁移。同时，非晶相的部分结晶化增强了晶体结构的有序性，进一步降低磁晶各向异性，使磁化响应效率显著提升。

　　2.2.2饱和磁感应强度的变化及影响因素

　　由表1可看出，Finemet条带经70℃、150℃和230℃冷热循环处理后，饱和磁感应强度从1.22T增至1.27T，呈现出随处理温度升高而增大的趋势。

　　2.3拉伸性能与变形行为

　　2.3.1拉伸数据处理与力学性能分析

　　拉伸试验结果表明，冷热循环处理可影响Finemet条带的力学性能。如图2所示，发现处理温度对材料力学行为产生了显著影响。应力-应变曲线显示，原始样品与70℃处理样品的弹性变形阶段斜率相似，但230℃处理样品的断裂应变从原始状态的2.2%提升至2.8%，表现出更优异的延展性；150℃处理样品的屈服强度较原始样品略有下降，而230℃处理样品的抗拉强度相比原始样品保持稳定但塑性变形区间显著拓宽。

　　2.4 XRD分析与相结构变化

　　原始样品（AQ）及经70℃（CTC70）、150℃（CTC150）、230℃（CTC230）冷热循环处理的Finemet条带的XRD图谱，如图3所示，图3中四组曲线基本一致，选择其中两条展示。

　　四组样品在2θ=45。附近均呈现宽化衍射峰，为非晶相或纳米晶相的典型漫散射信号，表明材料以短程有序结构为主，无尖锐晶相峰，说明未发生显著晶相转变。由此可知，本实验中的冷热循环处理温度不会使样品发生晶相转变。

　　3激光处理对Finemet条带的影响

　　3.1磁性能变化

　　3.1.1磁导率的演变

　　在高频磁性能调控研究中，Finemet条带的激光微结构处理对其磁导率的影响至关重要。为明确不同处理方式对磁导率的影响，首先对样品进行550℃、100mT、30min纵磁退火处理。为不同激光处理参数（刻痕间距：1mm、3mm；点阵间距：0.5mm、1mm）下Finemet条带的磁导率频率特性曲线，如图4所示，文章针对100kHz特征频率重点分析。

　　由图4中可以看出，点阵工艺显著优于刻痕工艺：激光点阵处理组（0.5mm点阵、1mm点阵）的磁导率整体高于刻痕处理组（1mm刻痕、3mm刻痕），这一差异可能源于点阵结构对磁畴运动的独特调控机制，导致高频磁性能劣于点阵工艺。

　　3.1.2饱和磁感应强度的变化及原因探讨

　　通过振动样品磁强计（VSM）测试不同激光功率处理后样品的饱和磁感应强度（Bs），数据如表2所示。

　　从表2可看出，刻痕与点阵处理对样品Bs的影响几乎没有区别，虽然均高于原始样品的1.20T，但这是磁场退火处理导致的，可知刻痕与点阵处理对样品饱和磁感应强度几乎没有影响。

　　3.2拉伸性能与变形行为

　　通过拉伸曲线分析，如图5所示。

　　由图5可知，不同激光处理工艺对Finemet条带的应力-应变行为呈现显著差异化影响。原始样品（AQ）表现出典型的纳米晶合金力学特征，展现出优异的塑性变形能力，源于均匀纳米晶结构对dislocation运动的低阻力。刻痕处理组呈现“强度提升-塑性提升”趋势：1mm刻痕组较3mm刻痕组屈服强度有所下降，延伸率同时降低。这是由于1mm刻痕的高密度应力释放槽（间距1mm）引入大量微裂纹与晶界缺陷，形成“缺陷强化”效应，阻碍位错滑移；而3mm刻痕因间距较大，热影响区相互独立，缺陷密度较低，故塑性保留更完整。

　　3.3 XRD分析与晶体结构演变

　　如图6所示，XRD图谱显示了四组样品在2θ=45。附近均呈现宽化衍射峰，为非晶相或纳米晶相的典型漫散射信号，表明材料以短程有序结构为主（非晶基体或纳米晶初期状态），无尖锐晶相峰，说明未发生显著晶相转变。

　　4结论

　　综上所述，文章以Finemet合金条带为对象，通过冷热循环、激光处理工艺和纵向磁场热处理，系统揭示了Fe基非晶合金的非均匀性结构演变对变形行为及软磁性能的影响机制，总结以下核心结论：

　　①工艺-结构-性能的多尺度关联。冷热循环处理通过热应力调控纳米晶演化，低温循环（70℃)对结构影响微弱，磁导率与原始样品相近；中温循环（150℃)释放内应力，磁导率提升3.7%，屈服强度轻微提升；高温循环（230℃)下磁导率骤增60%，塑性显著提升。

　　②激光处理通过微结构改性实现性能调控。1mm刻痕因均匀应力场细化磁畴，磁导率较3mm刻痕有所提升；1mm点阵凭借离散微坑保留纳米晶结构，高磁导率与强塑性平衡表现优异。

参考文献

　　［1］Sueptitz R.，Horn S.，Stoica M.，et al.Electrochemical microma-chining of passive electrodes-Application to bulk metallic glasses［J］.Journal of Materials Processing Tech.，2014，219：193-198.

　　［2］管鹏飞，王兵，吴义成，等.不均匀性：非晶合金的灵魂［J］.物理学报，2017，66（17）：159-200.

　　［3］平志海，钟鸣，龙志林.基于逾渗理论的非晶合金屈服行为研究［J］.物理学报，2017，66（18）：186-193.

　　［4］戴健.Fe-Si-B（-Cu）非晶合金退火过程中磁性能改变的结构机制［D］.南京：南京航空航天大学，2017.

　　［5］韩志勇，张茂才，高学绪，等.Ga原子对Fe-Ga合金原子磁矩的影响［J］.北京科技大学学报，2004（4）：387-390.

　　［6］张志东.磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构［J］.物理学报，2015，64（6）：5-21.