Демпфирующие сплавы с магнитной составляющей в структуре

Основы теории рассеяния энергии из-за движения границ магнитных доменов рассмотрены в разд. 6.2. Ниже обсуждаются прикладные возможности, которые предоставляет этот эффект. Отметим следующую особенность СВД данной группы: механизмы формирования демпфирующих и механических свойств в них контролируются различными элементами структуры - магнитными доменами и атомно-кристаллическим строением. Это дает возможность повышать как характеристики прочности, гак и демпфирующей способности оптимизацией составов и режимов термической обработки.

Под действием приложенных напряжений в ферромагнитном материале граница домена (ГД) сначала перемещается против возвращающей силы, способной вернуть ее к первоначальному положению. Когда ГД достигает положения, где сила восстановления имеет максимальное значение, равновесие становится неустойчивым и ГД делает самопроизвольный необратимый скачок в новое положение. Это - скачок Барк- гаузена. В полидоменных ферромагнетиках перемещения ГД вызывают так называемый баркгаузеновский шум и необратимое изменение доменной структуры, сопровождающиеся рассеянием энергии (рис. 7.10). ГД первого блоховского типа: (110) 90° и (111) 90° в Fe; (100) 71°, (110) 109°, (111) 109° в Ni характеризуются дальнодейст- вующими полями напряжений и относительно сильным взаимодействием с дефектами кристаллического строения. Внутренние напряжения от ГД второг о типа, для которых проекция векторов намагниченности доменов на обеих сторонах ГД находится на одной плоскости (в частности, 180° ГД в Fe, Ni, Со), располагаются непосредственно в пределах самих ГД. Поэтому второй тип ГД намного подвижнее первого. В Fe энергия магнитной анизотропии Ек высока, приложенные напряжения могут вызвать только движение 90° ГД; в Ni она низка и напряжения вызывают как движение ГД (в основном 71 и 109°), так и вращение вектора намагниченности М.у. Величина баркгаузеновского скачка ГД составляет 10 ...10 см в зависимости от структуры материала и уровня внутренних напряжений, время скачка ~10-..1(Г4 с. При более высоких частотах нагружения ГД не успевают следовать за изменением напряжения и магнитоупругий гистерезис отсутствует. Магнитоупругий гистерезис представляет большой практический интерес при разработке СВД из-за его выраженной амплитудной зависимости.

Размагниченное Fe

Рис. 7.10. Размагниченное Fe: схема эволюции структуры, состоящей из четырех 90° магнитных доменов; в центре: изменение касательных напряжений т [МПа] с частотой 3,9 Г'ц (пунктирная линия); магнитномеханический шум - скачки Баркгаузена (V, [мкВ]) (J. Degauque, 2001)

Магнитоупругий гистерезис (МУГ) обусловлен способностью границ доменов совершать необратимые скачки Баркгаузена в поле приложенных напряжений. МУГ представляет практический интерес при разработке СВД не только в качестве наиболее сильного магнитомеханического механизма поглощения энергии, но еще и в связи с его выраженной амплитудной зависимостью. Энергия ГД (Ифд) в зависимости от ее положения может быть представлена как функция координаты, содержащая чередующиеся максимумы и минимумы внутренних напряжений а, (потенциал Релея). ГД, располагаясь в одном из минимумов потенциала, под действием приложенных напряжений смещается, совершая скачок в новое положение равновесия через минимумы и максимумы потенциала Релея. В результате при снятии напряжений ГД не возвращается в исходное положение, а «застревает» в ближайшем минимуме потенциала. Важным фактором при оценке подвижности ГД в потенциале Релея является соотношение между шириной ГД и средним периодом потенциала.

Необратимые смещения ГД приводят к повороту вектора намагниченности, из-за магнитострикции размеры образца изменяются на величину )ia. Магии гоуиругая энергия в кубическом ферромагнитном материале, подвергнутом однородному растягивающему напряжению о„ составляет

с начальным г, и конечным 8/ напряжением; а, - направляющие косинусы вектора намагничивания относительно кубических осей кристалла; Хюо и Хц|- безразмерные магнитострикционные константы вдоль различных направлений в кристалле; у, - направление косинусов о относительно кристаллических осей. Для изотропной среды 7-s = ^юо = ^-Hi-

Экспериментальные значения Xs при комнатой температуре равны -710~6 для железа, -33-1СГ6 для никеля, 75-10~6 для Ре50Со5о, 220-КГ6 для Fe-18Ga (Galfenol) и фактический ноль для Fe2oNi8o (пермаллой). Некоторые сплавы редкоземельных металлов {Terfenol-D) показывают значительную магнигострикцию ~20()0-10 6. Таким образом, к упругой деформации добавляется дополнительная деформация, пропорциональная величине магнигострикционного эффекта: ?kim = (3/2)7.*/,,,• Магнитострикционная деформация обусловливает появление дефекта модуля (Д?-эффект). Значения ДЕ-эффекта велики в материалах с высокой магнитострикцией, слабо выраженной магнитной кристаллографической анизотропией и низким уровнем внутренних напряжений (например, значение АЕ/Е у отожженного Ni достигает 20 %).

Величина потерь энергии на МУГ (AVF) практически не зависит от частоты колебаний до 105...106 Гц, при которых продолжительность скачков Баркгаузена становится меньше периода колебаний, но сильно зависит от амплитуды. В этом состоит принципиальное отличие потерь на МУГ от потерь на микровихревые токи, для возникновения которых достаточно обратимых колебаний ГД вблизи минимума потенциала Релея с частотой приложенных колебаний. При малых амплитудах напряжений изменение демпфирующей способности ферромагнетика, обусловленной МУГ, прямо пропорционально значению внешнего напряжения о. При больших амплитудах колебаний a.v наступает состояние магнитоупругого насыщения (смещения ГД предельно возможные), площадь петли гистерезиса AWV и, как следствие, потери на МУГ достигают предельной величины и перестают зависеть от приложенного напряжения (рис. 7.11). В широком интервале амплитуд колебаний внутреннее трение изменяется по кривой с максимумом, асимптотически стремясь к нулю при больших напряжениях. Переход от малых к большим амплитудам происходит мри напряжении 0.5 ~ xsHc/s, где Нс - коэрцитивная сила. С увеличением напряжения петля МУГ ферромагнитных материалов постепенно превращается из овальной в изогнутую.

Схема изменения упругой энергии (НО, рассеянной энергии (ДН) и демпфирующей способности (ДИУИО ферромагнитного материала при приложении напряжения или деформации

Рис. 7.11. Схема изменения упругой энергии (НО, рассеянной энергии (ДН) и демпфирующей способности (ДИУИО ферромагнитного материала при приложении напряжения или деформации

Амплитудные зависимости внутреннего трения в реальных ферромагнетиках имеют сложный вид, который обусловлен соотношением параметров магнитомеханического и дислокационного рассеяния энергии: напряжений аДтД, соответствующих максимальным значениям магнитоуиругого демпфирования, и аДт,/), при которых появляются потери, связанные с необратимым перемещением дислокаций (рис. 7.12). Максимум МУГ в Fe, Ni, Со, в некоторых малоуглеродистых и низколегированных сталях, системах Fe-Ni, Fe-Co, Fe- Cr, Fe-Si располагается при напряжениях значительно более низких, чем те, при которых начинается необратимое перемещение дислокаций, го есть при Ts « Tj. В углеродистых сталях эти значения различаются незначительно: xs < т(/, в ряде материалов (например, в мартенситостареющих сталях) выполняется условие Ts > т Схемы возможного наложения магнитоупругих (/) и немагнитных дислокационных (2) потерь

Рис. 7.12. Схемы возможного наложения магнитоупругих (/) и немагнитных дислокационных (2) потерь: а) % « X/, б) % < х,,; е) т4- > хл

Влияние кристаллической структуры на уровень магнитоупругого демпфирования поликристаллического ферромагнетика можно определить так: все факторы, уменьшающие подвижность ГД, снижают высоту и повышают амплитуду максимума внутреннего трения. Повышение значения магнитомеханического демпфирования возможно благодаря снижению содержания атомов внедрения и легированию, уменьшению степени дефектности и оптимизации размеров ферромагнитных фаз и т.д. Структурные несовершенства - точечные дефекты, линейные дефекты, двойники, границы зерен, макродефекты типа пор или трещин, неметаллические включения и включения вторых фаз - вызывают изменения магнитоупругого демпфирования.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >