1.引言
烧结钕铁硼（Nd-Fe-B）是第三代稀土永磁材料[1]，由元素Nd、Fe、B组成，化学分子式为Nd2Fe14B，1984年Sagawa[2]等人通过粉末冶金技术，首次制备出了烧结钕铁硼永磁合金[3]。与其他磁性材料相比，烧结钕铁硼永磁合金具有高内禀矫顽力、高剩磁和高磁能积等特点，其最大磁能积的理论值高达518 kJ/m3 （64MGoe）[4]。自钕铁硼发现以来，因其具有优异的磁性能而被广泛应用于计算机、通讯、医疗、机械、航空航天以及国防军工等多个行业领域[5]。在传统的计算机及电子技术领域，烧结钕铁硼稀土永磁材料制作的器件基本上不承受冲击力作用[6]，人们关注的重点主要集中在其较好的电磁学性能以及为改变磁性能而进行的微结构分析等[7-10]，对它的力学性能关注较少，特别是动态力学特性。 然而，随着磁悬浮列车、电动汽车、风力发电等行业的发展，烧结NdFeB磁体在电机、汽车零部件等各领域内应用逐年增加，同时对NdFeB的产量需求也逐年增加。但由于汽车、飞机等的工作环境（高速、高压、高温）的特殊，其各个零部件都要承受较强的冲击力，所以对NdFeB的抗震抗冲击性有较高的要求。同时烧结钕铁硼也应用于军事通讯、雷达、卫星、导弹制导等国防事业领域中，因此也会受到较大的冲击载荷作用。
作为一种典型的脆性材料，烧结钕铁硼的机械加工与抗震、抗冲击性非常差，这将大大制约其在高精度仪器仪表、高速电机、尖端国防技术装备等行业中的应用。由此可见，开展NdFeB力学性能以及在载荷作用下破坏响应机制的研究具有重要的意义和价值。
张书凯、梁浩、房成、张洋、张薇、马晓辉、李军/文
中稀（微山）稀土新材料有限公司
【摘要】：全面综述了NdFeB永磁体的制作工艺、力学性能以及发展历程，介绍了近些年来增强NdFeB磁体力 学性能的研究动态与进展，并分析了提升其力学性能的原理以及研究意义，总结了增强NdFeB磁体力 学性能的多种途径以及各自优势和不足，最后进一步展望了提升磁体力学性能的研究方向。
【关键词】：NdFeB；力学性能；提升；途径；进展
2. NdFeB 简介
2.1 NdFeB 制备工艺流程
一般烧结NdFeB 磁体的工艺流程分以下几步：首先进行原材料的准备以及成分设计；在通过合金熔炼工艺或带钢铸造工艺得到合金铸片或铸锭；通过氢爆炉进行氢爆破碎；再经气流磨制粉；经过磁场取向与压型；最后进行烧结回火。如图1所示：
永磁材料又称为硬磁材料，它是一种强磁性材料，各向异性场高，具有宽磁滞回线、高的矫顽力和剩磁，磁化到饱和状态需要的磁场大，被广泛应用于制造磁功能器件[11]。2.2 NdFeB 磁体的结构和性能2.2.1烧结NdFeB 磁体组成相
烧结钕铁硼（Nd-Fe-B）具有复杂的晶体结构，它主要由以下几个部分所组成。 (1)基体Nd 2Fe 14B 相
基体Nd 2Fe 14B 相是烧结Nd-Fe-B 磁体中具有单轴各向异性的硬磁性相，是磁性能的主要来源，此相的成分占整个磁体的85% ~ 95%，故又称之为主相。烧结钕铁硼之所以有如此好的磁性能，主相Nd 2Fe 14B 相的晶体结构起到至关重要的作用。图2为Nd 2Fe 14B 化合物的晶体结构图，它是一种四方相晶体结构，主要由四个Nd 2Fe 14B 分子组成，其中一个晶胞中含有8个Nd 原子，56个Fe 原子，4个B 原子，一共有68个原子。晶体点阵常数a 和c 的值分别为0.879 nm 和1.218 nm，整个晶胞单元是由2个富Nd、 4个富Fe 及2个富B 原子层沿易磁化轴c 轴交替所组成[12]。
（2）富Nd 相
富Nd 相是烧结Nd-Fe-B 磁体中最重要的非磁性相，磁体中必须存在富Nd 相，其成分和分布状态对磁体的性能至关重要。富Nd 相主要以Nd-Fe 化合物的形式存在，它有利于提高磁体的密度[14,15]。富Nd 相的形态主要分为以下三种：第一种形态沿主相Nd 2Fe 14B 相晶粒边界薄层均匀分布，其相结构通常
为面心立方（fcc）结构，它与主相能够较好地融合，对磁体的性能最有利；第二种是存在于晶界交藕处的团块状相形态，此相没有任何作用，要尽量避免它的存在；第三种形态为存在于晶粒内部颗粒状，其相结构为双六方（dhcp）结构，它是不好的存在形态，也应该避免其存在[16,17]。沿晶粒边界分布的薄层状富钕相可导致主相间的交换耦合作用，从而实现磁体的硬化。 （3）富B 相
为了在烧结Nd-Fe-B 磁体中形成四方相晶体结构，B 元素是主相Nd 2Fe 14B 相形成必不可少的组成部分，是磁体获得永磁性能的必要条件。在烧结过程中，为了防止B 的流失，需要多添加B，虽然过多富B
相的存在弱化了磁体的磁性能，但是它
图1 NdFeB 工艺流程
图2 Nd 2Fe 14B 化合物晶体结构图[13]
的存在反而使得钢锭容易破碎。因此，为了确保Nd2Fe14B相的形成，应尽量避免富B相的出现，将其含量控制在最低限度。
随着NdFeB磁体的进一步发展，如今磁体中基本没有了富B 相的存在，主要由Nd2Fe14B主相和富钕相构成。
2.2.2烧结钕铁硼磁体的磁学性能
表征烧结钕铁硼永磁合金磁学性能的技术指标包括：最大磁能积（（BH）max）、矫顽力（内禀矫顽力Hcj和磁感矫顽力Hcb）、剩磁（Br）、方形度（Hk/Hcj）和居里温度（Tc）等。如图2.3为钕铁硼磁体的磁滞回线图：
（1）剩磁Br：是指经过外磁场磁化饱和后，当撤销磁场后，剩余磁场强度的大小就是剩磁。
（2）磁感矫顽力（Hcb）：是指磁体充磁饱和后，用一反向磁场H对磁体进行退磁为0，此反向磁场的大小就是矫顽力Hcb的大小。
（3）内禀矫顽力（Hcj）：是指当反向磁场H 增大到某一值时，导致磁场强度变为0，此值就是内禀矫顽力Hcj。
（4）最大磁能极（（BH）max ）：磁体在退磁过程中，有一根退磁曲线，退磁曲线上每个点都有一个剩磁和矫顽力的数值，此数值相乘就是磁能积。也可理解为单位面积内所蕴藏的磁能量。
（5）Br、（BH）max的值和表磁、磁通量成正比；Hcb 、Hcj的值和耐温程度成正比。
（6）饱和磁化强度（MS）：是指磁体在磁场中磁化时，当磁化场强度增加到使磁体所有的原子磁矩与外磁场方向大致相同时，此时的磁化强度叫做饱和磁化强度。
（7）各向异性场（HA）：是指磁体在不同方向被磁化的难易程度，平行于c轴方向容易磁化到饱和，叫做易磁化轴；垂直于c轴方向较难磁化到饱和，叫做难磁化轴。
（8）居里温度（To）：磁体在加热过程中，当温度上升到某一温度时，使原子磁矩转变为完全不规则排列，此时的温度称为居里温度To。
2.2.3烧结钕铁硼磁体的力学性能
烧结钕铁硼永磁合金主要是应用其磁性能，但由于使用环境和条件不同，除应有磁性能要求外，还应有对力学性能的要求。例如，磁体在高速转动时，要经受很大的离心力；而在振动环境和承受较高加速度条件下使用，磁体就可能出现剥落或开裂。因此，烧结钕铁硼永磁合金还应具有良好的力学性能。
通常采用以下三个技术指标来描述烧结钕铁硼永磁合金的力学性能。一是断裂韧性，用KIC表示，其单位是MPa·m1/2 ，KIC可以表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料韧性的一个定量指标；二是冲击韧性，用ɑK表示，单位为J/m2,ɑK反映材料抵抗外来冲击负荷的能力；三是抗弯强度，用δb 表示，其单位是MPa，一般采用三点弯曲方法测试δb值。因抗弯强度试样加工容易，测试方法简便易行，因而δb是最常用的力学性能指标。
2.2.4烧结钕铁硼磁体的断裂特性
烧结钕铁硼磁体的塑性韧性差，主要是其有以下几个原因：
（1）晶体结构复杂，滑移系少。Nd2Fe14B主相的晶体结构同密排六方晶胞类似，均为层状堆垛结构，然而其对称性却远低于密排六方晶格。因此，稀土永磁合金的滑移系比密排六方晶体滑移系更少；金属滑移系少，其发生塑性变形的可能性就越小。所以，钕铁硼永磁合金强度低，塑性韧性差[19]。
图3 钕铁硼磁体的磁滞回线[18]
（2）磁体在充磁后其磁化状态发生改变，引起了磁体磁晶粒子的磁致伸缩效应，而磁晶粒子的磁致伸缩的各向异性会导致在磁体周围产生非自由的应力和应变，从而在磁体中会产生很大的内应力，最终会导致磁体的力学性能变差[20]。
（3）富Nd相中Nd元素含量远远高于主相Nd2Fe14B中Nd元素含量，而富Nd相的熔点和硬度远远低于主相晶粒，故当磁体受到外载荷作用时，由于磁体的晶界强度远低于晶粒强度，因此，当试样断裂时，裂纹必然是沿着晶界富Nd相延伸，也就是说，试样最终断裂方式为沿晶断裂[21]。
3.研究现状
烧结钕铁硼（Nd-Fe-B）磁体具有机械加工困难、塑韧性较差和抗冲击载荷能力差等严重缺点，这大大地制约了其应用范围的进一步扩展。随着磁性器件逐步向小型化、轻量化和高精度化方向发展，对磁体
的加工提出了更高的精度要求，在如此严峻的工作环境下，必须对其强度和韧性提出更高的要求，以防其在服役时出现问题。近些年来，有许多科研工作者对其展开了大量的研究，并取得了一些研究成果。
增加钕铁硼磁体的韧性主要从以下几个方面： （1）增强或增加晶间相，提高富钕相的强度。 （2）增强两相之间的结合强度。
（3）细化晶粒：细化基体相。
（4）减少气孔。
（5）改善磁体力学各向异性能。
目前主要通过添加Ag、Co、Nb、Cu等元素、时效处理、脱氢、压延工艺、喷涂铝涂层、晶界重构等方式进行研究，来提高磁体的力学性能力。
3.1国内外研究进展
H.Chen等人[22]研究了Ag对烧结钕铁硼永磁体磁性和力学性能的影响。利用扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）对钕铁硼永磁体的微观结构进行了表征。在NdFeB的整体成分中加入0.1 wt% Ag，研究Ag对组织结构变化的影响。NdFeB和NdFeB + Ag磁体为两相结构，主要为Nd2Fe14B相和富Nd 晶
界相。发现Ag在富Nd晶界相中富集，与微量元素Cu形成合金。当添加0.1 wt% Ag时，NdFeB + Ag的矫顽力（Hcj）有所提高，而剩余量（Br）和最大磁能乘积（BH）max均有所降低。对NdFeB及NdFeB+Ag磁体的冲击韧性进行了研究。
从两种磁体的断面显微结构图（图4）可以看出，在NdFeB中加入Ag不会导致富Nd相体积分数的显著差异，在NdFeB+Ag磁体中，富Nd相的形貌并没有发生明显的变化，只是图4d中出现了一些离散的富Nd相的尺寸变大。
随后又通过摆锤冲击试验，来测试两种磁体的冲击韧性。冲击韧性用公式（１）表示。
冲击韧性计算公式：
（１）
---------冲击韧性KJ/m2
W---------冲击吸收的能量KJ
A---------试样的横截面积m2
通过公式（１）并取五次测量值的平均值进行计算，得到如图5所示的结果。NdFeB和NdFeB+Ag 磁体的显微硬度测试结果如表1所示，代表了两种材料的强度。可以看出，NdFeB和NdFeB+Ag的硬度几乎相同，说明添加0.1 wt% Ag对NdFeB磁体的
硬度和强度影响不大。
图4 烧结钕铁硼（a，b）和烧结钕铁硼+Ag（c，d）
的断面显微结构图
表1 NdFeB和NdFeB+Ag 的维氏硬度
图5 NdFeB 和NdFeB+Ag 的冲击韧性
图6 NdFeB 和NdFeB+Ag 的断口形貌
NdFeB 和NdFeB+Ag 的断口如图6所示。两种磁体均表现出沿晶断裂行为，裂纹主要沿脆性Nd 2Fe 14B 晶界扩展。从图6a 可以看出，NdFeB 的晶粒尺寸范围为7 ~ 8 m，类似于图6b 中NdFeB+Ag 的晶粒尺寸。未发现银对晶粒细化的影响。从断口处可以看出富Nd 相的存在。结果表明，NdFeB+Ag 磁体仍表现出脆性断裂行为，其抗冲击性能没有明显提高。
刘祚时等人[23]研究了添加镝对钕铁硼磁体力学性能与晶界改性研究，通过探究Dy 添加对磁体的力学性能和微观结构的影响，发现添加重稀土Dy 后，磁体的磁性能和力学性能得到提升，晶界分布更加连续，厚度变宽，能有效阻碍裂纹的扩展。对主相和晶界相成分分析发现：Dy 更容易进入主相，在晶界位置处发现富钕相有些呈现灰，该位置处Dy , Fe 明显增多，使晶界强度得到增强。
Z.H.Hu 等人[24]研究了Co 的加入对高本征矫顽力钕铁硼磁性能与力学性能的影响，结果表明：当Co 含量为1.5 wt%时，高本征矫顽力的Nd-Fe-B 磁体具有优良的磁性能；掺加3 wt%微米Co 粉末后，其本征矫顽力和断裂韧性均有所下降；共混Co 粉增磁悬浮汽车
加了主相晶粒和富Nd 相的Co 含量。同时，共混Co 粉末降低了主相晶粒中重稀土含量，形成了含重稀土和Co 的新相，进而导致高本征矫顽力Nd-Fe-B 磁体的内矫顽力降低。
丁霞等人[25]研究了烧结态和最佳时效态Nd-Fe-B 磁体的磁性和力学性能，包括硬度、脆性、断
裂韧性和强度特性。采用一种新的方法-维氏硬度压痕与声发射相结合，对磁体脆性进行了测试。结果表明，通过时效处理可以改善磁体的磁性能，尤其是其固有矫顽力。但同时也伴随着强度和断裂韧性的降低。
磁体的强度特性包括弯曲强度（δb ）和抗压强度（δS ）；首先通过三点弯曲法对弯曲强度进行测定。由公式（3.2）进行计算，五次取平均值。 弯曲强度计算公式：
（2） P------试件断裂所需载荷N L------支架之间距离mm b------实验梁宽mm h------试验梁高mm
抗压强度在德国SCHENCK TREBEL 材料试验
机上进行抗压强度(δS , MPa)试验，由公式（3.3）进行计算，重复五次实验表征实验结果平均性。 抗压强度计算公式： （3） F-------试件破碎所需载荷N d-------试件的直径mm
压痕测试完成后，立即用尼康EPIPHOT 300金相显微镜对每个压痕进行成像。通过测量每个压痕的裂纹长度来描述其与载荷的关系。试件断裂韧性由公式（3.4）计算。
断裂韧性计算公式：
（4） E------弹性模量
HV-----100N 以下的维氏硬度 P-------施加的压痕载荷N L-------裂纹总长度mm
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