חומרים מגנטיים מייצגים מעמד של חומרים חכמים המציגים שינוי בלתי הפיך בצורת או ממדים בתגובה לשדה מגנטי יישומי.שדה מגנטי זה הפיכה מגנטית מגנטית מכנית הופך אותם הכרחיים במניפסט גבוה, חיישנים, ואנרגיה-הרהורים על מכשירים מגבילים את האנרגיה.עם זאת, כאשר חומרים אלה הם נתונים לשדות מגנטיים מעגליים ביישומים מעשיים - כגון טרנספורים או מערכות בקרה - הם יכולים לשפר את החוויה המכנית של מחזוריבית של החיים הגמישות הקריטית של מחזורי הדם.

סקירה של חומרים מגנטיים ויישומים שלהם

מגנטיות היא נכס המוצג על ידי חומרים ferroמגנטיים ופריגנטיים, שבו שינוי במגנט משנה את מידות ה- lice קריסטל.חומרים מגנטיים הבולטים ביותר כוללים Terfenol-D (סגסוגת של terbium, dysprosium, ברזל), ניקל, ותרכובות אדמה שונות ורזל-rare, במיוחד, משמש נרחב למתח גבוה יותר (Galronicol-D) כמו מגנטית חומרים אחרים.

חומרים אלה מועסקים בטווח של תעשיות: החל רטט פעיל לחות בתוך אווירוקל ומערכות רכב כדי לאגור טרנסנפורמטים עבור הדמיה רפואית ו machining. ב קצירת אנרגיה, חומרים מגנטיים להמיר תנודות מכניות מסובכות לתוך חשמל. בכל היישומים האלה, החומר חייב לעמוד בפני מיליוני וריאציות שדה מגנטיות מעגליות ללא כשל קטסטרופלי.

המטבוליזם של מגנטיות וקונקווינס מכני שלה

כאשר שדה מגנטי מוחל על חומר מגנטי, התחומים המגנטיים אמיתיים, גרימת שינוי צורה מקרוסקופי. זן זה הוא בלתי הפיך אבל לא גמיש לחלוטין; הפסדים היסטריה לייצר חום פנימי ולהשאיר מתחים שאריות. מתחת לשדות מגנטיים מחזוריים, כל מחזור מייצר מחזור מתח מכני המתאים.

ההשלכות המכאניות הן כפולות.ראשון, הזן המחזורי עצמו יכול לגרום לעייפות מכנית קלאסית אם החומר טעון מעבר למגבלה האלסטית שלו.שני, תנועת התחום המגנטי הפנימית יוצרת ריכוזים של מתחים מקומיים בגבולות דגנים, גבולות שלב ופגמים.לאורך זמן, המיקרו-מתחים האלה מצטברים, מה שמוביל למיקרו-קרקרקטה ולתקפיץ.ה.המשחק בין היסטריה מגנטית ומכנית, גם תורם לפירוק אנרגיה, אשר יכול לתכונות המכאניות יותר.

שדות מגנטיים Cyclic: Fatigue לטעון תנאים

שדות מגנטיים Cyclic הם בדרך כלל סינוסאיד, משולש, או גל מרובע בטבע, בהתאם לאלקטרוניקה הנהיגה.ביישומים כמו זרננים נודדים, תדירות השדה יכולה לנוע בין עשרות של הרץ למאות קילווהרץ. מחזור החובה וצורה גלפורמול משפיעים על שיעור יישום הלחץ ואת הנזק שנגרם.

סוגי פרופילים של Cyclic

  • (FLT:0)Sinusoidal:FLT:1 Smooth, וריאציות מתמשך ממזער טעינה הלם אבל עדיין יכול לגרום עייפות על מחזורים רבים.זה הפרופיל הנלמד ביותר בשל הפשטות שלו.
  • (FLT:0)Square-wave:FLT:103: המעבר המהיר בין מדינות לבין מדינות מלמטה יוצר שיעורי לחץ גבוהים והתפשטות גל הלחץ.זה יכול להאיץ את הפחתת הפחתת ההכללה או את גבולות הדגנים.
  • (FLT:0)Triangular:FLT:1 קואר רופפת מספק שיעור קבוע של מתח, שימושי עבור למידה של אפקטים עייפות תלויה שיעור.
  • (FLT:0Random/spectral:FLT:1) רטטים בעולם האמיתי מכילים לעתים קרובות תערובת של תדרים; עייפות תחת עומס פס רחב כזה היא מורכבת יותר ויותר מובן פחות.

ללא קשר לגלימות, פרמטר המפתח הוא שדה מגנטי שיא-to-peak amplitude. amplitudes גבוה יותר לייצר זנים גדולים יותר לכל מחזור, להגדיל ישירות את העבודה המכנית נעשה על החומר ובכך את הנזק העייפות למחזור. תדירות גם משנה כי בתדרים גבוהים יותר, לחות ודור חום עולים, פוטנציאל לשנות את המיקרו-מבנה של החומר וכשל מצטבר.

מנגנונים מתחת לשדות מגנטיים Cyclic

שבר של חומרים מגנטיים תחת שדות מגנטיים מחזוריים עוקב תהליך עייפות טיפוסי: סדקים, קידוד יציב, ושבר מהיר סופי.עם זאת, ההפיכה הייחודית עם שדות מגנטיים מציגה תכונות ייחודיות בכל שלב.

המונחים:

Microcracks לעתים קרובות nucleate באתרי ריכוז מתח כגון הכללות לא-metallic, pores, גרגר גבול משולש צומת, ואת פגמים משטח. Terfenol-D, למשל, מכיל שלבים נדירים-earth נדיר כי יכול להחליק תחת לחץ מחזורי. סורק אלקטרונים microscopy מחקרים הראו כי סדקים לעתים קרובות יוזמים בגבולות בין מגנטית ממטרה לבין תרכובת צינורות מכניים אלה.

סיקור

לאחר שסדקים יזמו, השדה הלחץ הפצח שלה מונע על ידי גורם אינטנסיביות הלחץ המחזורי בקצה הסדקים.בחומרים הפצח הנפץ הוא מוטרד על ידי חלוקת השדה המגנטי המקומי.ההפיכה המגנטית פירושה כי כמו הסדקים נפתח, השטף המגנטי משתנה, אשר בתורו משנה את השדה המקומי.

מקור: Microstructural Defects

צפיפות וחלוקת פגמים משפיעים באופן משמעותי על נתיב השברים.גדול, הכללות בולטות לפעול כמו אתרי סדקים מועדפים, בעוד שטוב, חלקיקים מבוזרים שני-phase אחיד יכול למעשה לעכב את הצמיחה של סדק או סיכות הקדמית. פומפוש, לעתים קרובות הציג במהלך ייצור של חומרים מגנטים מחוספסים, להפחית את החלקה יעילה ומספקת מראש microcracks כדי להקל על תכונות מיקרוגניות, אך יש לשפר את העייפות אופטימלית, אך יש לשמור על מנת לשפר את החמצן באופן אופטימכת, אך יש צורך לשפר את החמצן באופן אופטימנטליגנטיסטי, אך יש לשמור על מנת לשפר את החמצן, אך יש לשמור על מנת לשפר את הגמישות, אך יש לשמור על מנת לשפר את החמצן באופן מיטבי מגנטית, אך יש לשמור על מנת לשפר את הלחץ הפנימי.

גורמים המשפיעים על חיי עייפות

The fatigue life of magnetostrictive materials under cyclic magnetic fields is determined by a complex interplay of operating parameters and material characteristics.

ריבועים מגנטיים

(FLT:0)Amplitude: 1FLT:1 הזנים בקנה מידה amplitude בערך ליניארי עם שדה מגנטי amplitude במשטר המגנטי של מגנטים ליניארי, אבל מצעים בשדות גבוהים. Stress amplitude עוקב אחר כך. ampude גבוה יותר להפחית את מספר המחזורים כדי להיכשל לאחר מערכת יחסים כוח (Bs-type) לדוגמה, ב-Tol-Tol-Tol-T.

<חזק>Frequency: אפקטים תדירות הם דו-צדדיים. בתדרים נמוכים (<1 הרץ), כל מחזור הוא איטי יותר, נותן זמן לאפקטים של עייפות סטטית (1-1000 הרץ), חיי עייפות יורדות עם תדירות עקב עלייה של חימום ואפקטים דינמיים של לחץ.

(FLT:0)Waveformmia: FLT:1 Square-wave טעינה גורם מהר יותר סדקים מאשר סינוסאיד בגלל שיעור המתח הגבוה במהלך מעבר שדה.

מבנה חומרי ומיקרו-מבנה

Alloy משפיע מאוד הן על זנים מגנטיים ונוקשות מכנית. Terfenol-D מציע זנים גבוהים אבל הוא רב (קשה על fracture - 1–2 MPa ⁇ m) Galfenol יש לחץ נמוך יותר (0.0.2%) אבל הרבה יותר גבוה ניכוי (לחיצת עד 2%), מה שהופך אותו יותר עמיד.

תנאים סביבתיים

הטמפרטורה היא גורם קריטי.טמפרטורות סביבתיות גבוהות יותר להפחית את כוח התשואות ויכול לגרום לטרנספורמציות שלב (למשל, בסגסוגת Fe-Ga, שלב B2 הורה הופך להפרעה A2 בטמפרטורות גבוהות, המשפיע על שני המאפיינים המגנטיים והמכניים).

טכניקות ניסיוניות לחקר התנהגות Fracture

סיווג מדויק של שבר בחומרים מגנטיים דורש בדיקות מיוחדות המשלבות דור שדה מגנטי עם טעינה מכנית והתבוננות בהחלפת.

שיטות תצפית

מיקרוסקופיה אופטית וסריקה מיקרוסקופית אלקטרונים (SEM) משמשים כדי לצפות סדקים והפצת חומרים בעוד החומר נמצא תחת שדות מגנטיים מחזוריים.שלבים מיוחדים החל שדה מגנטי בתוך תא SEM מאפשרים תצפית ישירה של אינטראקציות לקיר עם סדקים.אלקטרון גיבוי scatterction (EBSD) חושף אפקטים אוריינטציה של X-קודד X-הקודמת ל-mography (CT) מספק סימולציה של רשתות ויזואליות 3D.

בדיקות מכניות תחת שדות מגנטיים

מכונות בדיקות עייפות בנויות בהתאמה ליישם שדה מגנטי מחזורי לדגימה בעת ובעונה אחת מדידת עומס, עקירה וזן.הדגימה מוחזקת בדרך כלל בין אחיזה עקבית כדי להימנע ריכוזים של מתח. בדיקות עייפות סטנדרטיות (למשל, ASTM E466) מותאמים עם אלקטרומגנט קבוע או מערך מגנטי קבוע. pin gages או לייזר extensometers ללכוד את התגובה המכנית.

המונחים: Acous Emission

חיישני פליטה אקוסטית (AE) מזהים את הגלים האלגנטיים ששוחררו במהלך צמיחת הסדקים ותנועת קיר התחום. AE ניטור יכול להצביע על הרגע של סדקים ועקוב אחר קצב ההתפשטות ללא גישה אופטית.האנרגיה של אירועי AE תואמת לחומרת נזק מיקרו-מבנה.טכניקה זו מועילה במיוחד עבור ניטור בריאותי בזמן אמת של מכשירים מגנטיים.

מודלים וסימציה מתקרבים

התנהגות של שבר תחת שדות מגנטיים מחזוריים דורשת מודלים משניים שלוכדים את האבולוציה של השדה המכני והמגנטי.

מודלים מכניים מתמשך

ניתוח אלמנט פינט (FEA) עם הפיכה מגנטית או מכנית היא הגישה הנפוצה ביותר.מודל פותר משוואות מקסוול עבור השדה המגנטי בו זמנית עם משוואות איזון עבור סטיות ליניאריות או elastoplastic deformation. חיי עייפות הם אז חזו באמצעות לחץ חיים (S-N) או חיי זן (N) שיטות עם שיטות עם סמית '-Watson-person-perpa) לעתים קרובות דורשים לחץ חומרים מדויקים.

מיקרומגנטי-מיקרו-מיקרו-מיקרוסטליסטי Coupling

במקל, מודלים של שלב שדה משלבים את האבולוציה של התחום המגנטי ואת האינטראקציה שלה עם שדות גמישים.מודלים אלה מדמיינים את קצב הסדקים בקירות התחום או בגבולות דגנים תחת עומס מחזורי.העלות החישובית גבוהה, אבל הם מספקים תובנות בסיסיות למנגנונים המקומיים של מנגנונים של מנגנוני מנגנוני הרתעה.

מודלים של Fatigue Lifeחיזוי

מודלים אמפיריים המבוססים על Coffin-Manson ופריס החוק מתאימים לנתונים ניסיוניים עבור חומרים ספציפיים.עבור Terfenol-D, חוק פריז דווח כ -3.5, בדומה לסגסוגת מתכתית. מודלים פרובביליסטיים באמצעות חשבון סטטיסטיקות Weibull עבור לקויות. Machine Learning גם מתפתח ככלי לחיזוי חיי עייפות מתכונות מיקרו-תרבותיות ותנאי הפעלה.

אסטרטגיות ל- Extended Fatigue Life

גישות רבות יכולות לשפר את ההתנגדות השבירה של חומרים מגנטיים תחת שדות מגנטיים מחזוריים, המאפשרים חיי מכשירים ארוכים יותר.

אופטימיזציה של Microstructural

גודל דגנים מבוקר ומרקם במהלך עיבוד יכול לשפר הן מגנטיות והן עמידות עייפות. חם isostatic לחיצה (HIP) להפחית את הירוכיות וחיסול הכללות גדולות.לעמוד עם כמויות קטנות של שלבים דוקטריליים (למשל, נחושת בטרנפול-D) יכול לשפר את הקשידות ללא תכנוני חום כדי להשחית את ה-ההההה של ה-microcorogenize ו-reative הוא לחץ סטנדרטי.

טיפול פנים ו-Cotings

סדקים משטח לעתים קרובות להתחיל שריטות או סימני מאצ'ינג.פולנית, לירות הצצה, או זעזוע לייזר הצצה להציג מתחים דחוסים של שאריות כי retard סדקים (למשל, ציפויים מגינים (למשל, פחמן דמוי יהלום או שכבות קרמיקה) למנוע התקפה סביבתית ויכולים גם לספק שכבה דחוסה.

חומרים משותפים ו היברידיים

Embedding מגנטיות חלקיקים בתוך ממטריקס דוקטרילי (למשל, פולימר או אלומיניום) יוצר מורכב המשלב מתח גבוה עם חיי עייפות משופרים.למבנים עם שינוי שכבות מגנטיות וגמיש יכול להפיץ מדגישים יותר באופן שווה.

יישומים והשלכות עבור עיצוב התקנים

התנהגות העייפות משפיעה ישירות על העיצוב והאמינות של מכשירים מגנטיים בסביבות עולם האמיתי.

עריכת דין וחיישנים

במניפסט מדויקים, כגון אלה המשמשים מזריקים דלק או אופטיקה אדפטיבית, מיליוני מחזורים צפויים.מעצבים חייבים להגביל את השדה המגנטי כדי להישאר בתוך העייפות שנקבעה על ידי עקומות S-N. Preload הוא לעתים קרובות מיושם כדי למנוע טעינה דחוסה שיכול לגרום buckling או Stressversals. Redundant Actuators יכול לשמור על ביצועים אפילו אם אחד לא גורם נכשל שבר.

אנרגיה קציר

קצירי אנרגיה ויברציה באמצעות חומרים מגנטיים לעתים קרובות לפעול בתדרים של התחדשות עם עקירות קטנות אך ספירות מחזוריות גבוהות מאוד ( מיליארדים של מחזורים) במגרעות זנים כה נמוכות, חיי העייפות יכולים להיות ארוכים מאוד אם החומר הוא ללא פגם.עם זאת, העיצוב חייב להימנע מריכוזים בנקודות הרות.למערכת ניטור בריאות מבנית באמצעות ממריצים מגנטיים דורשות עמידות חזקה על פני עשורים של שירות.

מעקב אחר בריאות

טרנסנפורמטיביים עצמם יכולים לשמש כדי לזהות סדקים במבנים אחרים באמצעות צבעי גל מודרך.פרדוקלי, transducer עצמו עשוי לחוות עייפות בשל הדור של התפרצויות קוליות בעוצמה גבוהה.

מסקנה: כיוונים עתידיים ואתגרים

התנהגות מפוסטרית בחומרים מגנטיים תחת שדות מגנטיים מחזוריים נותרה אזור מחקר תוסס. בעוד התקדמות משמעותית נעשתה בהבנה של המנגנונים הבסיסיים - קריקט בפגמים, ההתפשטות נשלטת על ידי הפיכה מגנטית-מיכנית, וההשפעה של פרמטרים שדהיים - אתגרים חד-משמעיים נמשכים לשיטות הדמיה מגנטיות גבוהות יותר, אשר ימשיכו לשלב את ההתפתחות של חומרים ממריצים מגנטיים מורכבים יותר, אשר יהיו צורך בטכניקות מורכבות של פיתוח מאקרו-תרגול, אשר ימשיכו לחיקוי מגנטי, אשר ימשיכו להיות מאפקטיביות, אשר יש צורך בטכניקות מורכבות, אשר ימשיכו לפתח סימולציה מגנטיות, אשר ימשיכו לפתח שיטות מורכבות, אשר יהיו צורך, אשר יהיו צורך בטכניקות מורכבות יותר, כדי לספק סימולציה מגנטיות, כדי לספק סימולציה, הן שיטות מורכבות יותר, כדי לספק סימולציה מגנטיות, כדי לספק סימולציה, הן שיטות מורכבות יותר, קריפטמות, הן שיטות מורכבות יותר, כדי לספק סימולציה, אשר ימשיכו לפתח סימולציה, יעילות יותר, אשר ימשיכו לפתח סימולציה, אשר ימשיכו לפתח סימולציה מגנטיות, כדי לספק סימולציה מגנטיות, כדי לספק שיטות מורכבות יותר, הן שיטות מורכבות יותר, כדי לספק סימולציה, אשר ימשיכו לפתח סימולציה מגנטיות, כדי לספק סימולציה, 000 יעילות, כדי

(הופנה מהדף ⁇ ) , עיין מקיף בחומרים מגנטיים (FLT:0(Materials & Design, 2020)IRLT:1, מחקר על השפעות טעינה מחזוריות ב Terfenol-DDD (FLT:2(Jour of Materials, 2018) LT 3, והערה טכנית של היצרן על החיים של Galfenol-DLTFal (R) LT5re; 5)