Кіріспе

Магниттік пішінді жады қорытпалары (MSMA), сондай-ақ ферромагниттік пішінді жады қорытпалары (FSMA) деп те аталады, магнит өрісіне реакция жасай отырып, күштер мен деформация тудыратын ерекше пішінді жады қорытпалары. Бұл материалдарда термиялық пішін жады әсері де байқалған.

Кіріспе

MSM қорытпалары – орташа магнит өрістерінде қозғалыс және күштер тудыратын ферромагниттік материалдар. Әдетте, MSMA – никель, марганец және галлий (Ni Mn Ga) қорытпалары. 1996 жылы МТИ-дегі доктор Кари Уллакко және оның әріптестері магниттік әсерге байланысты шамамен 0,2%-дық деформацияны көрсетті. Содан бері өндіріс процесін және қорытпаларды одан әрі өңдеуді жақсарту коммерциялық Ni Mn Ga MSM элементтерінде 6%-ға дейін деформацияға, ал ҒЗЖ сатысындағы жаңа қорытпаларда 10-12% және 20%-ға дейін деформацияға әкелді. Магниттік индукцияланған үлкен деформация, сондай-ақ жылдам реакция уақыты MSM технологиясын пневматика, робототехника, медициналық құрылғылар және мехатроникада қолданылатын инновациялық орындаушы механизмдерді (актуаторларды) жобалау үшін өте тартымды етеді. MSM қорытпалары деформацияға байланысты магниттік қасиеттерін өзгертеді. Бұл қосалқы эффект, орындаушы механизммен (актуациямен) бірге болатын, ығысу, жылдамдық немесе күш сенсорларын және механикалық энергияны жинау құрылғыларын жобалау үшін пайдалы болуы мүмкін. Магниттік пішін жадын сақтау эффектісі қорытпаның төмен температурадағы мартензит фазасында пайда болады, онда қорытпаны құрайтын элементар жасушалар тетрагональды геометрияға ие. Егер температура мартензит-аустенит түрлену температурасынан жоғарыласа, қорытпа аустенит фазасына өтеді, онда элементар жасушалар кубтық геометрияға ие болады. Мұндай геометрияда магниттік пішін жадын сақтау эффектісі жоғалады. Мартенситтен аустенитке өту күш пен деформация тудырады. Сондықтан, MSM қорытпаларын термиялық пішін жады қорытпалары сияқты термиялық түрде де белсендіруге болады (мысалы, Никель-Титан (Ni Ti) қорытпаларын қараңыз).

Магниттік пішіннің есте сақтау эффектісі

МГМ қорытпаларының үлкен деформациясына жауапты механизм магниттік индукцияланған қайта бағдарлану (МИР) деп аталады және суретте көрсетілген. Басқа ферромагниттік материалдар сияқты, МГМ қорытпалары сыртқы магнит өрісіне ұшырағанда макроскопиялық магниттелуді көрсетеді, бұл өріс бағыты бойынша элементарлық магниттелулердің реттелуінен туындайды. Дегенмен, стандартты ферромагниттік материалдардан өзгеше, реттелу қорытпаны құрайтын элементарлық жасушалардың геометриялық айналуы арқылы жүзеге асырылады, ал жасушалар ішіндегі магниттелу векторларының айналуымен емес (магнетострикциядағыдай). Қорытпа сыртқы күшке ұшырағанда да ұқсас құбылыс орын алады. Макроскопиялық тұрғыдан алғанда, күш магнит өрісі сияқты әрекет етеді, элементарлық жасушалардың айналуын ынталандырады және эталондық координаттар жүйесінде қолданылуына байланысты ұзарту немесе қысқаруға әкеледі. Ұзарту және қысқару процестері суретте көрсетілген, мысалы, ұзарту магниттік түрде, ал қысқару механикалық түрде жүзеге асырылады. Жасушалардың айналуы МГМ қорытпаларының жоғары магниттік анизотропиясының және ішкі аймақтардың жоғары жылдамдығының салдарынан болады. Қысқасы, МГМ элементі ішкі аймақтардан тұрады, олардың әрқайсысы элементарлық жасушалардың әртүрлі бағытына ие (аймақтар суретте жасыл және көк түстермен көрсетілген). Бұл аймақтар қос нұсқалар деп аталады. Магнит өрісін немесе сыртқы кернеуді қолдану қос шекаралар деп аталатын нұсқалардың шекараларын жылдырады, соның салдарынан бір нұсқаны немесе екіншісін ынталандырады. Элемент толығымен қысқартылған немесе толығымен ұзартылған кезде, ол тек бір нұсқадан тұрады және бір нұсқалы күйде деп есептеледі. МГМ элементінің белгілі бір бағыттағы магниттелуі элемент қысқару немесе ұзарту бір нұсқалы күйде болғанда өзгеше болады. Магниттік анизотропия – элементті қысқару бір нұсқалы күйде және ұзарту бір нұсқалы күйде магниттеу үшін қажетті энергияның айырмасы. Анизотропияның шамасы МГМ қорытпасының максималды жұмыс тиімділігімен байланысты, демек қолда бар деформация мен күштің мөлшерімен анықталады, оларды қолдануға болады.

Шаршау қасиеттері

MSMA-ның шаршау мерзімі, жоғары жиілікті циклдық жүктемелерге байланысты, оларды іске қосу саласында ерекше қызығушылық тудырады, сондықтан осы қорытпалардың микроқұрылымын жақсартуға көп көңіл бөлінеді. Зерттеушілер 2 МПа максималды кернеуде 2x109 циклға дейін шаршау мерзімін ұзартты, бұл MSMA-ны құрылғыларда қолдануға мүмкіндік беретін үміттендіретін деректерді ұсынады. Шамалы шаршау мерзімі көрсетілгенімен, бұл қасиет материалдың ішкі екілену кернеуімен реттеледі, ол кристалл құрылымы мен екілену шекараларына байланысты екені анықталды. Сонымен қатар, толық деформацияланған (созылған немесе қысқартылған) MSMA шаршау мерзімін қысқартатыны белгілі болды, сондықтан функционалдық MSMA жүйелерін жобалау кезінде бұл фактор ескерілуі тиіс. Жалпы, кернеу концентрациясын тудыратын, мысалы, беткі тегіссіздер сияқты ақауларды азайту MSMA-ның шаршау мерзімін және сынуға қарсы тұру қабілетін арттыра алады.

Қоспалардың дамуы

Стандартты қорытпалар – Никель-марганец-галлий (Ni Mn Ga) қорытпалары, олар 1996 жылы алғашқы тиісті MSM әсері жарияланғаннан бері зерттеледі. Магниттік пішіннің есте сақтау эффектісін тудыру үшін қажетті қос шекаралық қозғалыс механизміне байланысты, максималды индукцияланған деформация бойынша ең жоғары өнімділікті MSMA бір кристалл болды. Қосымша өндіріс – кезеңді поликристаллды MSMA-ны жасау тәсілі ретінде көрсетілді. Толық тығыз поликристаллды MSMA-дан өзгеше, кеуекті құрылымдар қозғалыс еркіндігін арттырады, бұл мартензиттік қос шекаралық қозғалысты іске қосу үшін қажетті ішкі кернеуді азайтады. Сонымен қатар, процестен кейінгі жылумен өңдеу, мысалы, спекалау және қайтадан кристалдау Ni Mn Ga қорытпаларының қаттылығын айтарлықтай арттырып, серпімділік модулін төмендетуге көмектеседі.

Қолданбалар

MSM іске қосу элементтері жылдам және нақты қозғалыс қажет болатын жағдайларда қолданылуы мүмкін. Олар магнит өрісін пайдалану арқылы жылдам іске қосылу мүмкіндігіне байланысты қызығушылық тудырады, себебі бұл дәстүрлі пішін жады қорытпаларына қажетті қыздыру/салқындату циклдерімен салыстырғанда тиімдірек, сонымен қатар ұзақ қызмет ету мерзімін қамтамасыз етеді. Мүмкін болатын қолдану салалары: робототехника, өндіріс, медициналық хирургия, клапандар, демпферлер, сұрыптау. MSMA-ның егіздену кернеуі немесе ішкі үйкеліс кернеуі іске қосу тиімділігін анықтайды, сондықтан MSM іске қосу құрылғыларының жұмыс дизайны берілген қорытпаның механикалық және магниттік қасиеттеріне негізделеді; мысалы, MSMA-ның магниттік өткізгіштігі деформацияның функциясы болып табылады. Ең көп таралған MSM іске қосу құрылғысы – айналмалы магнит өрісін тудыратын тұрақты магниттермен басқарылатын MSM элементі және пішін жады циклінде механикалық күшті қалпына келтіретін серіппеден тұрады. Кристалл ақауларына байланысты магниттік пішін жады әсерінің шектеулері MSMA-ның қолданудағы тиімділігін анықтайды. MSM әсері температураға тәуелді болғандықтан, бұл қорытпаларды микроқұрылым мен құрамын бақылау арқылы өту температурасын өзгертуге бейімдеуге болады.