Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
Magnetic shape memory alloys (MSMAs), also called ferromagnetic shape memory alloys (FSMA), are particular shape memory alloys which produce forces and deformations in response to a magnetic field. The thermal shape memory effect has been obtained in these materials, too.
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).
MSM alloys are ferromagnetic materials that can produce motion and forces under moderate magnetic fields. Typically, MSMAs are alloys of Nickel, Manganese and Gallium (Ni Mn Ga). A magnetically induced deformation of about 0.2% was presented in 1996 by Dr. Kari Ullakko and co workers at MIT. Since then, improvements on the production process and on the subsequent treatment of the alloys have led to deformations of up to 6% for commercially available single crystalline Ni Mn Ga MSM elements, as well as up to 10 12 % and 20% for new alloys in R&D stage. The large magnetically induced strain, as well as the short response times make the MSM technology very attractive for the design of innovative actuators to be used in pneumatics, robotics, medical devices and mechatronics. MSM alloys change their magnetic properties depending on the deformation. This companion effect, which co exist with the actuation, can be useful for the design of displacement, speed or force sensors and mechanical energy harvesters. The magnetic shape memory effect occurs in the low temperature martensite phase of the alloy, where the elementary cells composing the alloy have tetragonal geometry. If the temperature is increased beyond the martensite–austenite transformation temperature, the alloy goes to the austenite phase where the elementary cells have cubic geometry. With such geometry the magnetic shape memory effect is lost. The transition from martensite to austenite produces force and deformation. Therefore, MSM alloys can be also activated thermally, like thermal shape memory alloys (see, for instance, Nickel Titanium (Ni Ti) alloys).
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.
The mechanism responsible for the large strain of MSM alloys is the so called magnetically induced reorientation (MIR), and is sketched in the figure. Like other ferromagnetic materials, MSM alloys exhibit a macroscopic magnetization when subjected to an external magnetic field, emerging from the alignment of elementary magnetizations along the field direction. However, differently from standard ferromagnetic materials, the alignment is obtained by the geometric rotation of the elementary cells composing the alloy, and not by rotation of the magnetization vectors within the cells (like in magnetostriction). A similar phenomenon occurs when the alloy is subjected to an external force. Macroscopically, the force acts like the magnetic field, favoring the rotation of the elementary cells and achieving elongation or contraction depending on its application within the reference coordinate system. The elongation and contraction processes are shown in the figure where, for example, the elongation is achieved magnetically and the contraction mechanically. The rotation of the cells is a consequence of the large magnetic anisotropy of MSM alloys, and the high mobility of the internal regions. Simply speaking, an MSM element is composed by internal regions, each having a different orientation of the elementary cells (the regions are shown by the figure in green and blue colors). These regions are called twin variants. The application of a magnetic field or of an external stress shifts the boundaries of the variants, called twin boundaries, and thus favors one variant or the other. When the element is completely contracted or completely elongated, it is formed by only one variant and it is said to be in a single variant state. The magnetization of the MSM element along a fixed direction differs if the element is in the contraction or in the elongation single variant state. The magnetic anisotropy is the difference between the energy required to magnetize the element in contraction single variant state and in elongation single variant state. The value of the anisotropy is related to the maximum work output of the MSM alloy, and thus to the available strain and force that can be used for applications.
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.
The fatigue life of MSMAs is of particular interest for actuation applications due to the high frequency cycling, so improving the microstructure of these alloys has been of particular interest. Researchers have improved the fatigue life up to 2x109 cycles with a maximum stress of 2MPa, providing promising data to support real application of MSMAs in devices. Although high fatigue life has been demonstrated, this property has been found to be controlled by the internal twinning stress in the material, which is dependent on the crystal structure and twin boundaries. Additionally, inducing a fully strained (elongated or contracted) MSMA has been found to reduce fatigue life, so this must be taken into consideration when designing functional MSMA systems. In general, reducing defects such as surface roughness that cause stress concentration can increase the fatigue life and fracture resistance of MSMAs.
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.
Standard alloys are Nickel Manganese Gallium (Ni Mn Ga) alloys, which are investigated since the first relevant MSM effect has been published in 1996. Due to the twin boundary motion mechanism required for the magnetic shape memory effect to occur, the highest performing MSMAs in terms of maximum induced strain have been single crystals. Additive manufacturing has been demonstrated as a technique to produce porous polycrystalline MSMAs. As opposed to fully dense polycrystalline MSMAs, porous structures allow more freedom of motion, which reduces the internal stress required to activate martensitic twin boundary motion. Additionally, post process heat treatments such as sintering and annealing have been found to significantly increase the hardness and reduce the elastic moduli of Ni Mn Ga alloys.
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.
MSM actuator elements can be used where fast and precise motion is required. They are of interest due to the faster actuation using magnetic field as compared to the heating/cooling cycles required for conventional shape memory alloys, which also promises higher fatigue lifetime. Possible application fields are robotics, manufacturing, medical surgery, valves, dampers, sorting. The twinning stress, or internal frictional stress, of an MSMA determines the efficiency of actuation, so the operation design of MSM actuators is based on the mechanical and magnetic properties of a given alloy; for example, the magnetic permeability of an MSMA is a function of strain. The most common MSM actuator design consists of an MSM element controlled by permanent magnets producing a rotating magnetic field and a spring restoring a mechanical force during the shape memory cycling. Limitations on the magnetic shape memory effect due to crystal defects determine the efficiency of MSMAs in applications. Since the MSM effect is also temperature dependent, these alloys can be tailored to shift the transition temperature by controlling microstructure and composition.