Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Сплавы с магнитной памятью формы (MSMA), также называемые ферромагнитными сплавами с памятью формы (FSMA), – это особые сплавы с памятью формы, которые создают силы и деформации под воздействием магнитного поля. В этих материалах также наблюдался термический эффект памяти формы.
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.
Введение
Сплавы MSM – это ферромагнитные материалы, способные создавать движение и силы под воздействием умеренных магнитных полей. Как правило, MSMA представляют собой сплавы никеля, марганца и галлия (Ni Mn Ga). В 1996 году доктор Кари Уллакко и его коллеги из MIT представили магнитно-индуцированную деформацию около 0,2%. С тех пор совершенствование производственного процесса и последующей обработки сплавов позволило достичь деформаций до 6% для коммерчески доступных монокристаллических элементов Ni Mn Ga MSM, а также до 10–12% и 20% для новых сплавов, находящихся на стадии НИОКР. Значительное магнитно-индуцированное искажение, а также короткое время отклика делают технологию MSM весьма привлекательной для создания инновационных приводов, применяемых в пневматике, робототехнике, медицинских приборах и мехатронике. Сплавы MSM изменяют свои магнитные свойства в зависимости от деформации. Этот сопутствующий эффект, который существует одновременно с приводом, может быть полезен при разработке датчиков перемещения, скорости или силы, а также механических накопителей энергии. Эффект магнитной памяти формы проявляется в мартенситной фазе сплава при низкой температуре, когда элементарные ячейки, составляющие сплав, имеют тетрагональную геометрию. При повышении температуры выше температуры мартенситно-аустенитного превращения сплав переходит в аустенитную фазу, где элементарные ячейки имеют кубическую геометрию. В такой геометрии эффект магнитной памяти формы утрачивается. Переход от мартенсита к аустениту генерирует силу и деформацию. Следовательно, сплавы MSM могут также активироваться термически, подобно сплавам с тепловой памятью формы (например, сплавам никель-титан (Ni Ti)).
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).
Эффект памяти магнитной формы
Механизм, ответственный за большие деформации сплавов MSM, – так называемая магнитно-индуцированная переориентация (MIR), схематично изображенная на рисунке. Как и другие ферромагнитные материалы, сплавы MSM демонстрируют макроскопическую намагниченность под воздействием внешнего магнитного поля, возникающую в результате выравнивания элементарных магнитных моментов вдоль направления поля. Однако, в отличие от обычных ферромагнитных материалов, это выравнивание достигается за счет геометрического вращения элементарных ячеек, составляющих сплав, а не вращения векторов намагниченности внутри ячеек (как в магнитострикции). Подобное явление происходит и при воздействии на сплав внешней силы. Макроскопически сила действует подобно магнитному полю, способствуя вращению элементарных ячеек и вызывая удлинение или сжатие в зависимости от направления ее приложения в системе координат. Процессы удлинения и сжатия показаны на рисунке, где, например, удлинение достигается магнитным воздействием, а сжатие – механическим. Вращение ячеек является следствием высокой магнитной анизотропии сплавов MSM и большой подвижности внутренних областей. Проще говоря, элемент MSM состоит из внутренних областей, каждая из которых имеет различную ориентацию элементарных ячеек (области показаны на рисунке зеленым и синим цветами). Эти области называются вариантами-близнецами. Приложение магнитного поля или внешней нагрузки смещает границы между вариантами, называемые двойниковыми границами, тем самым благоприятствуя одному из вариантов. Когда элемент полностью сжат или полностью удлинен, он состоит только из одного варианта и находится в одновариантном состоянии. Намагниченность элемента MSM вдоль фиксированного направления различна в сжатом и удлиненном одновариантном состояниях. Магнитная анизотропия – это разница между энергией, необходимой для намагничивания элемента в сжатом и удлиненном одновариантном состояниях. Величина анизотропии связана с максимальной выходной работой сплава MSM, а следовательно, с доступной деформацией и силой, которые могут быть использованы в приложениях.
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.
Свойства усталости
Усталостная долговечность MSMA представляет особый интерес для применений в приводах из-за высокочастотных циклов, поэтому улучшение микроструктуры этих сплавов является важной задачей. Исследователи добились увеличения усталостной долговечности до 2x109 циклов при максимальном напряжении 2 МПа, что предоставляет перспективные данные для практического применения MSMA в устройствах. Несмотря на продемонстрированную высокую усталостную долговечность, установлено, что она определяется внутренними напряжениями, связанными с двойникованием в материале, которые зависят от кристаллической структуры и границ двойников. Кроме того, создание MSMA в состоянии полной деформации (растяжения или сжатия) приводит к снижению усталостной долговечности, что необходимо учитывать при проектировании функциональных систем MSMA. В целом, уменьшение дефектов, таких как шероховатость поверхности, вызывающих концентрацию напряжений, может повысить усталостную долговечность и сопротивление разрушению MSMA.
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.
Разработка сплавов
Стандартными сплавами являются сплавы никель-марганец-галлий (Ni Mn Ga), которые исследуются с момента публикации первого релевантного исследования эффекта MSM в 1996 году. Вследствие механизма движения двойников, необходимого для реализации эффекта магнитной памяти формы, наиболее эффективными МСМА с точки зрения максимальной индуцированной деформации являлись монокристаллы. Аддитивное производство продемонстрировано как метод создания пористых поликристаллических МСМА. В отличие от полностью плотных поликристаллических МСМА, пористые структуры обеспечивают большую свободу движения, что снижает внутренние напряжения, необходимые для активации мартенситного движения двойников. Кроме того, установлено, что последующая термическая обработка, такая как спекание и отжиг, значительно повышает твердость и снижает модуль упругости сплавов Ni Mn Ga.
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.
Приложения
Элементы привода MSM могут использоваться там, где требуются быстрые и точные перемещения. Они представляют интерес благодаря более быстрому срабатыванию при использовании магнитного поля по сравнению с циклами нагрева и охлаждения, необходимыми для традиционных сплавов с памятью формы, что также предполагает более длительный срок службы при циклической нагрузке. Возможные области применения включают робототехнику, машиностроение, медицинскую хирургию, клапаны, демпферы и сортировку. Эффективность привода MSMA определяется напряжением двойникования или внутренним трением, поэтому конструкторское проектирование MSM-приводов основывается на механических и магнитных свойствах конкретного сплава; например, магнитная проницаемость MSMA является функцией деформации. Наиболее распространенная конструкция MSM-привода состоит из элемента MSM, управляемого постоянными магнитами, создающими вращающееся магнитное поле, и пружины, обеспечивающей возвращающую механическую силу при цикле памяти формы. Эффективность MSMA в различных приложениях ограничивается дефектами кристаллической структуры, влияющими на эффект магнитной памяти формы. Поскольку эффект MSM также зависит от температуры, состав и микроструктура этих сплавов могут быть оптимизированы для изменения температуры фазового перехода.
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.