Wrocław, 1.10.2004
Materiały o gigantycznej magnetostrykcji
(ang. Giant Magnetostrictive Materials  GMM)
Materiały pomocnicze do ćwiczeń laboratoryjnych
Jacek Bomba, Jerzy Kaleta
Spis treści:
1. Efekty magneto-mechaniczne
2. Elementy do pomiaru pola magnetycznego
3. Materiały magnetostrykcyjne
4. Smart Materials i GMM
Załącznik:
1) Giant Magnetostrictive Materials (GMM) as a Functional Material for Construction
of Sensors and Actuators  J. Bomba, J. Kaleta
2) The Influence of Prestress on Magnetomechanical Damping in Giant
Magnetostrictive Materials  J. Bomba, J. Kaleta
3) Investigation Of Magnetostrictive Actuator  J. Bomba, J. Kaleta, P. Sawa
I -19
Politechnika Wrocławska
MATERIAA
Y O GIGANTYCZNEJ MAGNETOSTRYKCJI  J. BOMBA, J. KALETA
1. Efekty magnetomechaniczne (magnetostrykcji)
1.1. Charakterystyka efektów magnetomechanicznych (magnetostrykcji)
Magnetostrykcja [7] (od słowa greckiego magnet  magnes i łacińskiego strictus 
ściśnięty, sprężony, napięty) jest dziedziną magnetyzmu zajmującą się  zjawiskami
związanymi z oddziaływaniami między wielkościami magnetycznymi a naprężeniami
i odkształceniami mechanicznymi . Pod wpływem tych oddziaływań zmieniają się
właściwości materiałów jak np. magnetyczne, mechaniczne, termiczne, elektryczne
i akustyczne. Materiały, w których zjawiska magnetostrykcji występują w sposób
wyróżniający je spośród innych materiałów magnetycznie miękkich, noszą nazwę
magnetostrykcyjnych, podobnie jak przetworniki z nich wykonane.
Przez analogię do materiałów piezoelektrycznych stosuje się określenie materiałów
piezomagnetycznych [7]. Czyste zjawisko piezomagnetyczne w stanie niespolaryzowanym
występuje bardzo rzadko. Odkryto je w kilku antyferromagnetykach, jak np. CoF2 i MnF2
oraz w hematycie. Pod wpływem przyłożonych naprężeń występuje proporcjonalna do nich
słaba magnetyzacja materiału (słaby ferromagnetyzm).
Węższa definicja magnetostrykcji [7]  obejmuje zjawiska związane ze zmianami
kształtu i wymiarów, wywołanymi zmianami namagnesowania .
Najpowszechniej stosowana jest definicja pośrednia [7], która mówi, że
 magnetostrykcja polega na zmianie kształtu i wymiarów oraz właściwości mechanicznych
pod wpływem pola magnetycznego lub  odwrotnie  na zmianie właściwości
magnetycznych, np. indukcji (lub magnetyzacji) i przenikalności (lub podatności), pod
wpływem naprężeń i odkształceń mechanicznych .
Zjawisko Joule a (magnetostrykcja liniowa)
Zjawiskiem Joule a [7] nazywa się efekt prosty magnetostrykcji lub magnetostrykcję
liniową, polegającą na zmianie długości próbki pod wpływem magnesowania przy
odpowiedniej zmianie przekroju poprzecznego. Zachowana zostaje stała objętość.
Przy stałej objętości występuje czysta magnetostrykcja postaciowa (kształtu), w której
magnetostrykcja wzdłużna i poprzeczna odpowiednio się kompensują. Zjawisko takie można
zazwyczaj zaobserwować w początkowym i środkowym zakresie krzywej magnesowania.
Magnetostrykcję liniową określamy jako podłużną lub wzdłużną, gdy kierunek
mierzonych odkształceń względnych jest zgodny z przyłożonym polem H. Współczynnik
magnetostrykcji wzdłużnej zdefiniujemy jako:
l - l0 "l
|| = l = = , (3.1)
l0 l
gdzie l0  początkowa długość próbki,
"l  funkcja natężenia pola magnetycznego,
l  długość próbki w polu magnetycznym.
Magnetostrykcja poprzeczna występuje, gdy kierunek odkształceń jest prostopadły do
przyłożonego pola magnetycznego. Współczynnik magnetostrykcji poprzecznej Ą" (lub t)
definiuje się analogicznie jak wzdłużnej. Dla pola nasycenia Hs współczynniki
magnetostrykcji oznacza się jako s , ls i ts . Magnetostrykcja liniowa może być dodatnia
( > 0), np. w magnetycie, permendurze, permalojach  zwykle o zawartości 45  65 % Ni,
alferach lub słabo namagnesowanym żelazie, lub ujemna ( < 0), np. w niklu i ferrytach
niklowych.
Magnetostrykcja charakteryzuje się tym, że:
" jest zjawiskiem parzystym, co oznacza, że zmianie znaku polaryzacji magnetycznej
(natężenia pola lub indukcji) nie towarzyszy zmiana znaku magnetostrykcji,
2
MATERIAA
Y O GIGANTYCZNEJ MAGNETOSTRYKCJI  J. BOMBA, J. KALETA
" podlega zjawisku histerezy magnetycznej i termicznej,
" wykazuje anizotropię, zależy od kształtu i temperatury.
Zjawisko magnetosprężyste Villariego (odwrotne zjawisko magnetostrykcji)
Zjawisko Villariego [7] jest zjawiskiem odwrotnym do efektu Joule a i polega na
zmianie magnetostrykcji pod wpływem przyłożonych do próbki sił mechanicznych
wprowadzających naprężenia sprężyste. Zmiany te zależą od znaku i kierunku przyłożonych
sił. Materiały o magnetostrykcji dodatniej wydłużają się wraz ze wzrostem pola (rys. 3.1), tzn.
naprężenia rozciągające powodują wzrost magnetyzacji, a więc i przenikalności, zaś
naprężenia ściskające powodują przy określonym natężeniu pola magnetycznego
zmniejszenie B i �. W materiałach o magnetyzacji ujemnej, jak np. w niklu, naprężenia
rozciągające powodują zmniejszenie magnetyzacji i przenikalności, zaś ściskające ich wzrost.
Ponadto dla niektórych materiałów (np. permalloy u o składzie 82% Ni i 18% Fe)
magnetostrykcja równa jest prawie zeru.
Rys. 3.1. Magnetostrykcja liniowa
W przypadku pręta żelaznego, charakteryzującego się dodatnią magnetostrykcją
w zakresie słabych pól magnetycznych niewielkie siły rozciągające powodują w tym zakresie
wzrost magnetyzacji. Magnetyzacja pręta żelaznego w silnych polach magnetycznych pod
wpływem niewielkich sił rozciągających ulega zmniejszeniu, ponieważ magnetostrykcja
w tym zakresie jest ujemna. Villari odkrył więc, że w żelazie przy pewnej wartości natężenia
pola Hv siły nie powodują zmian magnetyzacji (punkt Villariego), a powyżej Hv następuje
odwrócenie efektu. W punkcie Villariego następuje zmiana znaku magnetostrykcji.
Naprężenia nie powodują zmian magnetostrykcji w przypadkach skrajnych stanów
magnetycznych [7], tzn. rozmagnesowania i nasycenia.
Zjawisko Barretta (magnetostrykcja objętościowa)
Wraz z magnetostrykcją liniową, jak również samodzielnie, może wystąpić
magnetostrykcja objętościowa [7] nazywana zjawiskiem Barretta, która polega na wzroście
lub zmniejszaniu objętości materiału. W czystej postaci magnetostrykcję objętościową
opisujemy wzorem:
"V
� = . (3.2)
V0
Polega ona na jednoczesnej i jednakowej względnej zmianie wszystkich wymiarów próbki (l,
b, c), tj. na skurczeniu lub na spęcznieniu. W tych przypadkach zmienia się objętość V, zaś
kształt pozostaje zachowany, tzn. [7]:
3
MATERIAA
Y O GIGANTYCZNEJ MAGNETOSTRYKCJI  J. BOMBA, J. KALETA
"l "b "c
= = , (3.3)
l0 b0 c0
2 3
V �ł �ł �ł �ł
"V -V0 lbc - l0b0c0 "l "l "l
�ł �ł �ł �ł
� = = = = 3 + 3 + �ł �ł . (3.4)
V0 V0 l0b0c0 l0 �ł l0 �ł �ł l0 łł
�ł łł
gdzie b, c  wymiary poprzeczne próbki,
l  długość próbki.
Względne zmiany wymiarów (3.3) wywołane magnetostrykcją są rzędu 10-5 � 10-6. W wielu
rozważaniach przyjmuje się, że względne zmiany objętości są około trzy razy większe od
zmian wymiarów liniowych. Nie oznacza to, że magnetostrykcja objętościowa jest trzy razy
większa od liniowej. Zjawiska te mogą zachodzić oddzielnie lub jednocześnie, nakładając się
na siebie w różnych proporcjach. Na przykład w żelazie obok magnetostrykcji liniowej,
w pobliżu zakrzywienia krzywej pierwotnej magnesowania, pojawia się magnetostrykcja
objętościowa.
W zakresie paraprocesu współczynnik magnetostrykcji objętościowej jest
w przybliżeniu proporcjonalny do natężenia pola magnetycznego. Ze zmianami objętości
związany jest współczynnik rozszerzalności liniowej.
Inne zjawiska magnetomechaniczne; szczególne, pochodne i towarzyszące
Poza wyżej opisanymi zjawiskami magnetomechanicznymi jest jeszcze szereg innych
[7], których nie wykorzystano w badaniach podczas realizacji tej pracy, jak np.:
" Zjawiska Guillemina i Wiedemanna (pochodne efektu Joule a). Pierwsze zjawisko polega
na dążeniu do wyprostowania zginanych sprężyście lub trwale prętów umieszczonych
w polu magnetycznym, a drugie na skręcaniu swobodnego końca zamocowanego pręta
namagnesowanego wzdłużnie, przez który równocześnie przepływa prąd elektryczny
powodujący powstawanie obwodowego pola magnetycznego.
" Zjawiska Barnetta i Einsteina-de Haasa, które opierają się na związku między momentem
magnetycznym a momentem pędu elementarnych nośników magnetyzmu (atomów lub
cząsteczek) określonym współczynnikami magnetomechanicznymi lub
giromagnetycznymi. Przykładem zjawiska Barnetta jest pręt ferromagnetyczny szybko
obracający się wokół swej osi, w którym powstaje moment magnetyczny, i który zostaje
namagnesowany nawet przy braku zewnętrznego pola magnetycznego. Zjawisko
Einsteina-de Haasa jest odwrotnym zjawiskiem Barnetta, w którym pod wpływem zmiany
magnetyzacji pręt obraca się wokół osi pokrywającej się z kierunkiem zewnętrznego pola.
" Zjawisko Barkhausena, w którym w trakcie magnesowania lub rozmagnesowania żelaza
można usłyszeć po wzmocnieniu trzaski w słuchawce telefonicznej. Spowodowane jest to
przesuwaniem się ścian domenowych i obrotem wektorów magnetyzacji domen.
Szczególnym przypadkiem magnetostrykcji jest piezomagnetyzm [7]. W praktyce
zjawisko to obserwuje się w materiałach magnetostrykcyjnych spolaryzowanych
magnetycznie, a w postaci czystej w niektórych antyferromagnetykach.
Z magnetostrykcją związana jest mechanostrykcja i efekt "E [7] polegający
na zmianie modułu sprężystości przy przejściu od stanu rozmagnesowania do stanu nasycenia
technicznego.
Zjawiskami pochodnymi związanymi z magnetostrykcją są także [7]: zależność
magnetyzacji spontanicznej, przenikalności i temperatury Curie od ciśnienia
hydrostatycznego, a także opóz
nienie magnetyczne, tłumienie fal akustycznych i tarcie
wewnętrzne.
Spośród wymienionych zjawisk magnetomechanicznych, ze względu na specyfikę
badań oraz aktualne możliwości przeprowadzenia pomiarów, zdecydowano się wykorzystać
zjawisko magnetosprężyste Villariego (efekt Villariego).
4
MATERIAA
Y O GIGANTYCZNEJ MAGNETOSTRYKCJI  J. BOMBA, J. KALETA
2. Pomiar pola magnetycznego
Jako czujniki do pomiaru pola magnetycznego stosuje się elementy:
a). pasywne
- gaussotrony
- magnetorezystory
b). aktywne
- hallotrony
3. Materiały magnetostrykcyjne
Ferromagnetyzm; warunki występowania
Zgodnie z powszechnie przyjętym w fizyce poglądem warunkiem koniecznym do
wystąpienia ferromagnetyzmu [7] jest obecność kilku nieskompensowanych spinów
elektronów, np. w poziomie 3d w Fe, Ni i Co. Pozostałe pierwiastki, np. Mn, mimo
nieskompensowanych momentów nie wykazują właściwości ferromagnetycznych, gdyż ich
atomy w sieci krystalicznej ustawiają się zbyt blisko siebie (stosunek odległości do średnicy
atomów jest wtedy nie większy od 1,5; momenty wypadkowe na skutek antyrównoległego
ustawienia się sąsiednich atomów są równe zeru i mangan jest antyferromagnetykiem).
Częściowa kompensacja spinów występuje w materiałach ferromagnetycznych, np.
w kryształach Fe zamiast 4�B, jak w atomach swobodnych, średnio na atom przypada 2,22
�B, w niklu zamiast 2 tylko 0,6 �B. W kobalcie zmniejszenie następuje od 3 do 1,71 �B, zaś
w manganie z 5 do 0.
Ważnym parametrem jest temperatura Curie  zaniku właściwości magnetycznych.
Dla żelaza wynosi ona 1043 K, dla kobaltu 1393  1403 K, dla niklu 631 K, zaś dla gadolinu
o 7 �B w atomach swobodnych tylko 290 K (17 0C). Pozostałe pierwiastki ziem rzadkich mają
temperaturę Curie bardzo niską.
Materiały magnetostrykcyjne z pierwiastkami ziem rzadkich (ang. Rare Earth Giant
Magnetostrictive Materials - GMM)
Materiały o dużej magnetostrykcji (ang. giant magnetoresistive materials) [4] są
stopami składającymi się głównie z Tb (terbu), Dy (dysprozu) i czystego żelaza. Mogą
zmieniać energię magnetyczną w mechaniczną i odwrotnie, ponieważ są to materiały mogące
być czujnikami lub tzw. actuator ami (ang. actuator  element wykonawczy). Wymagają
jedynie niskiego napięcia zasilania cewki, by odkształcenia materiału osiągnęły wartość 40
razy większą od tradycyjnych materiałów magnetostrykcyjnych. Materiały GMM
charakteryzują się także szerokim zakresem temperatur pracy oraz małą bezwładnością.
0
Temperatura Curie dla tych materiałów wynosi 380 � 420 C, a temperatura pracy może
dochodzić nawet do 200 0C. GMM mogą wywołać naprężenie dochodzące do 300 kg/cm2.
5
MATERIAA
Y O GIGANTYCZNEJ MAGNETOSTRYKCJI  J. BOMBA, J. KALETA
4. Smart Materials i GMM
4.1. Materiały aktywne; podstawowe rodzaje
W ostatnich kilkunastu latach nastąpił rozwój nowoczesnych materiałów aktywnych
(ang.: Smart Materials)*). Dzięki swym specyficznym własnościom materiały te pozwalają na
konstruowanie urządzeń o właściwościach adaptacyjnych dotychczas niemożliwych do
uzyskania (np. o charakterystykach pracy zależnych od widma obciążenia).
W niektórych materiałach aktywnych wykorzystuje się zjawiska fizyczne pozwalające
na zamianę energii z jednej formy w drugą, jak np. energii elektrycznej w mechaniczną (w
materiałach piezoceramicznych i elektrostrykcyjnych), energii magnetycznej w mechaniczną
(w materiałach magnetostrykcyjnych), czy termicznej w mechaniczną (w materiałach z
pamięcią kształtu). Niektóre z nich posiadają także możliwość odwrócenia procesu zamiany
energii. W tabeli 1 porównano wybrane materiały aktywne. Własności przedstawionych
materiałów są wykorzystywane w elementach wykonawczych (ang.: actuator) oraz w
czujnikach (ang.: sensor).
4.2. Aplikacja zjawiska magnetostrykcji; przykłady
Zjawisko magnetostrykcji i efekt do niej odwrotny (efekt Villariego) są co najmniej od
60 lat wykorzystywane do budowy przetworników. Przyjmuje się, że jeśli
Tabela 1. Porównanie materiałów aktywnych (ang.: Smart Materials) [1,10,11]
Mechanizm aktywacji Piezo- Elektro- Magneto- Stopy
ceramiczny strykcyjny strykcyjny z pami ci

Wielko kształtu
Max. odkształcenie [%] 0.13 0.1
0.2 � 0.6 2 � 8
Moduł Younga [GPa] 60.6 64.5 29.0 ---

G sto [g/cm3] 7.5 7.8 7.1
9,0 � 9.3

G sto energii aktywuj cej [J/kg] 6.83 4.13 6.42
252�4032
Współczynnik histerezy [%] 10 < 1 2 wysoki
Temperatura pracy [0C] 400 300
-20 � 200 0 � 40

Cz stotliwo pracy [Hz] 100 k 100 k 30 k <5
energia magnetyczna ulega zamianie w mechaniczną (rys. 4.1), to mamy do czynienia
z elementami wykonawczymi. W przypadku odwrotnym  zamiany energii mechanicznej na
magnetyczną  mówi się z kolei o czujnikach.
Pole magnetyczne
Nat enie pola magnetycznego
G
M
M
Siła
Pole mechaniczne
Rys. 4.1. Schemat transformacji energii w materiałach magnetostrykcyjnych
*)
Polskie odpowiedniki tego terminu, takie jak  materiały adaptacyjne , czy  materiały
sprytne , nie zostały do tej pory powszechnie zaakceptowane.
6
Sensor
Aktuator
MATERIAA
Y O GIGANTYCZNEJ MAGNETOSTRYKCJI  J. BOMBA, J. KALETA
Historia magnetostrykcji sięga 1842 roku, w którym James Joule zaobserwował
zmiany wymiarów w próbce niklu pod wpływem pola magnetycznego. Podobne zjawisko
zaobserwowano w kobalcie, żelazie i stopach tych metali. Magnetostrykcja, rozumiana jako
odkształcenie pod wpływem pola magnetycznego, tych materiałów sięgała 0,005 %. Z
powodu tak małych zmian odkształcenia w znanych ówcześnie materiałach zjawisko to nie
znalazło większego zastosowania. Wykorzystano je dopiero podczas Drugiej Wojny
Światowej przy budowie sonaru.
4.3. Terfenole; przykłady materiałów o gigantycznej magnetostrykcji
W roku 1965 odkryto w Naval Ordnance Lab i Ames Laboratory [8], że niektóre
pierwiastki ziem rzadkich, jak Tb (terb) i Dy (dysproz), w niskich temperaturach
charakteryzują się o kilka rzędów większą magnetostrykcją  niż nikiel (Tab. 2). Kilka lat
póz
niej udało się uzyskać związki tych pierwiastków z żelazem, w których zjawisko
magnetostrykcji występuje w temperaturze pokojowej. Szeroką paletę tych materiałów
opisywanych ogólnym wzorem chemicznym TbxDy1-xFey nazwano  terfenolami . W roku
1986 firma ETREMA Products Inc. zaczęła produkować komercyjnie najpowszechniej dziś
stosowany materiał  Terfenol-D (Tb0.3Dy0.7Fe1.9).
Tabela 2. Wła ciwo ci wybranych materiałów magnetostrykcyjnych [3,8,9]
Materiał E [GPa] TCurie [K]
� [g/cm3]  max. [%]
Fe 7.86 210 -0.0050 633
Ni 8.9 210 -0.0014 1043
Permalloy (65%Fe, 45%Ni) --- --- 0.0027 713
SmFe2 8.53 --- -0.2340 688
Fe3O4 --- --- 0.0060 858
DyFe2 9.28 --- 0.0650 635
TbFe2 (Terfenol) 9.06 --- 0.2630 703
Tb0.3Dy0.7Fe1.9 (Terfenol-D) 9.21 29 653
0.1600 � 0.2400
Tb0.6Dy0.4 @ 77K --- --- 0.6300 215
TbZn --- --- 180
0.4500 � 0.5500
TbDyZn --- --- 0.5000 250
Terfenol-D [2] jest międzymetalicznym stopem pierwiastków ziem rzadkich, terbu i
dysprozu, oraz żelaza. Jest produkowany w postaci zbliżonej do jednolitego kryształu
(metodą Bridgman a i metodą Czochralskiego).
Terfenole pozwalają na uzyskanie, w zależności od postaci w której są produkowane i
stosowane, pozornie przeciwstawnych własności magneto-mechanicznych:
- jako materiały lite (rys. 4.2a) (pręty, kształtki, folie, cienkie warstwy) wykazują niewielką
histerezę magneto-mechaniczną, co powoduje, że wzajemne przekształcanie energii
mechanicznej i magnetycznej zachodzi w przetwornikach z wysoką sprawnością;
a) b)
Rys. 4.2. Terfenol-D w postaci próbek masywnych i proszku [4]
7
MATERIAA
Y O GIGANTYCZNEJ MAGNETOSTRYKCJI  J. BOMBA, J. KALETA
- w postaci proszków (rys. 4.2b) po odpowiednim połączeniu z żywicami, silikonami,
gumami itp.  i spolaryzowaniu magnetycznym, pozwalają otrzymać materiały o dużych
własnościach tłumiących.
Możliwe stało się zatem uzyskanie materiałów z programowalnymi własnościami
mechanicznymi i magnetycznymi, o bardzo szerokim zastosowaniu technicznym. Terfenole
stanowią dziś znaczącą grupę w ramach tzw. Smart Materials.
Terfenol-D znalazł także zastosowanie w budowie sensorów, pomp hydraulicznych o
niewielkich rozmiarach [6], silnikach krokowych i obrotowych [3], precyzyjnych
pozycjonerach [8] oraz w konstrukcjach wymagających tłumienia drgań (np. w śmigle
helikoptera [5]).
4.5. Stymulowanie własności terfenoli
Programowanie własności terfenoli jest możliwe dzięki temu, że podstawowe
charakterystyki materiału zależą między innymi od parametrów takich jak tzw. naprężenie
wstępne �w , natężenie pola podmagnesowującego H0 oraz widma i czasu trwania obciążenia
czynnego. Na przykład w elementach wykonawczych Terfenol-D w postaci pręta (rys. 4.2)
otoczony jest cewką wytwarzającą pole magnetyczne. Dodatkowo, w celu poprawienia
charakterystyki pracy, stosuje się sprężyny napinające (rys. 4.3) lub magnesy stałe. Sprężyny
napinające wywołują w materiale naprężenie wstępne pozwalając na zachowanie liniowej
charakterystyki w większym zakresie odkształceń. Na rysunku 3 przedstawiono przykładowy
schemat budowy elementu wykonawczego firmy MIDE z USA [10], który pozwala na
uzyskanie dużej siły przy niewielkich rozmiarach i krótkim czasie reakcji. W tabeli 3
przedstawiono z kolei przykładowe parametry osiągane przez taki element wykonawczy [10].
Spr yna
Cewka pola Obudowa
napi cia
magnetycznego
wst pnego
Terfenol-D
ruba ruba
ł cz ca ł cz ca
Rys. 4.3. Schemat elementu wykonawczego firmy MIDE z USA [10]
Tabela 3. Przykładowe parametry elementu wykonawczego firmy MIDE [10]

Wielko Przykładowa warto

rednica pr ta (Terfenol-D) 8.9 mm

Długo pr ta (Terfenol-D) 75.9 mm
Czas odpowiedzi <0.3 ms/>4 kHz
Skok 0.114 mm
Siła 2.669 kN
Zakres temperatury pracy -15 � 300 0C
Zajmowana przestrze < (48.1 x 48.1 x 75.9) mm
8
(wersja robocza)
Giant magnetostrictive materials (GMM) as a functional material for construction of sensors
and actuators
Authors: Jacek Bomba M.Sc., Jerzy Kaleta Ph.D., DSc. Eng.
Wrocław University of Technology, Institute of Materials Science and Applied Mechanics,
ul. Smoluchowskiego 25, 50-370 Wrocław
1. Introduction Mo liwe stało si zatem uzyskanie materiałów z
Giant Magnetostrictive Materials (GMM) nale do programowalnymi własno ciami mechanicznymi i
grupy Smart Magnetic Materials (SMM). Do magnetycznymi, o bardzo szerokim zastosowaniu
najbardziej znanych materiałów tego typu nale technicznym.
mi dzymetaliczne stopy pierwiastków ziem rzadkich,
2. Badanie GMM
terbu (Tb) i dysprozu (Dy), oraz elaza. S one
2.1. Opis obiektu bada
produkowane w postaci zbli onej do jednolitego
kryształu (metod Bridgman a i metod
Obiektem bada były próbki z materiału typu
Czochralskiego) lub proszków. Pozwalaj one na
TbxDy1-xFey w postaci pr tów o wymiarach Ć10 mm x
zamian energii magnetycznej w mechaniczn oraz
70 mm. Materiał ten badano tylko podczas ciskania,
mechanicznej w magnetyczn (Fig. 1).
poniewa charakteryzuje si bardzo mał
wytrzymało ci na rozci ganie (Tab.1).
Magnetic field
Table 1. Wybrane wła ciwo ci badanego materiału [1]
1000 ppm (80kA/m,10MPa)
Magnetostriction (||)
Density 9.15  9.25 g/cm3
Young s Modulus 25  65 GPa
G
Tensile Strength 25 MPa
M
Compressive Strength 260 MPa
M
Curie Temperature 380 0C
2.2. Skład chemiczny, struktura
Materiał poddany został badaniom składu chemicznego
Force metod EDX. Wyniki przedstawiono w table 2.
Fig. 1. Schemat transformacji energii w materiałach
Table 2. Chemical constitution of GMM rods
magnetostrykcyjnych
Element Fe Tb Dy
Quantity [at.%] 67,5 9,6 22,9
GMM pozwalaj na uzyskanie, w zale no ci od postaci
w której s produkowane i stosowane, pozornie
Przeprowadzono tak e wst pne badania XRD maj ce
przeciwstawnych własno ci magneto-mechanicznych:
na celu okre lenie struktury materiału. Badania te
- jako materiały lite (pr ty, kształtki, folie, cienkie
pozwalaj przypuszcza , e jest to materiał o
warstwy) wykazuj niewielk histerez magneto-
zorientowanych wzdłu jednej osi polikryształach.
mechaniczn , co powoduje, e wzajemne
przekształcanie energii mechanicznej i magnetycznej
2.3. Stymulowanie własno ci GMM
zachodzi w przetwornikach z wysok sprawno ci ;
Programowanie własno ci terfenoli jest mo liwe dzi ki
- w postaci proszków po odpowiednim poł czeniu z
temu, e podstawowe charakterystyki materiału zale
ywicami, silikonami, gumami itp.  i
mi dzy innymi od parametrów takich jak tzw. prestress
spolaryzowaniu magnetycznym, pozwalaj otrzyma
�0 , bias magnetic field H0.
materiały o du ych własno ciach tłumi cych.
Sensor
Actuator
Efektywne wykorzystanie GMM wymaga - cewki wraz z power generator słu cym do
przeprowadzenia identyfikacji, szczególnie w wytworzenia pola magnetycznego;
warunkach obci e cyklicznych dominuj cych w - układu optycznego do pomiaru wielko ci
zastosowaniach. Szczególnie kluczowe jest
odkształcenia badanego materiału �(�);
zrozumienie roli odgrywanej przez �0 (rys. 2) oraz H0 , - układu rejestruj cego nat enie pola magnetycznego
które wpływaj na charakter tłumienia magneto- H(�) w pobli u badanej próbki;
mechanicznego i sprawno przetwarzania energii.
- układu rejestruj cego temperatur "T(�) na
Kolejny problem, to stabilno charakterystyk w
powierzchni badanego materiału, wykorzystuj cego
nast pstwie obci e cyklicznych. Równie istotne jest
semiconductor termotransducer;
okre lenie znaczenia innych efektów krzy owych (np.
- komputera steruj cego maszyn wytrzymało ciow
efektu termospr ystego) na ywotno materiału.
oraz rejestruj cego dane pomiarowe.
Stanowisko badawcze umo liwiło zaobserwowanie:
1) efektu magnetostrykcji  w nast pstwie
przyło onego z zewn trz cyklicznego pola
magnetycznego "H(�), rejestrowany jest sygnał
mechaniczny "F(�), "�(�);
2) efektu odwrotnej magnetostrykcji  w nast pstwie
przyło onego z zewn trz cyklicznego pola
mechanicznego,np. "F(�) lub "u(�), mierzonym
nast pstwem jest sygnał magnetyczny "H(�); "T(�)
oraz "�(�);
3) efektu termospr ystego  w nast pstwie
przyło onego z zewn trz cyklicznego pola
mechanicznego "F(�) lub magnetycznego "H(�);
Rys. 2. Magnetostrykcja przy ró nych obci eniach
4) zmian temperatury podczas trwania eksperymentów.
wst pnych - efekt prestress (A, B, C); [2]
Na figure 4 przedstawiono przykładowy wynik
pomiaru, przedstawiaj cy zale no pola
Rozwa enie powy szych zagadnie wymaga
magnetycznego od przyło onej siły. Badanie tego typu
przeprowadzenia eksperymentów polegaj cych na:
pozwala okre li zakres pracy sensora zbudowanego z
- wyznaczeniu tłumienia wyra onego w ró nych
tego materiału.
układach współrz dnych (np. �-�, �-M, �-"T itp.) w
warunkach obci e cyklicznych;
- zbadaniu mo liwo ci programowania własno ci
materiałów.
Na rysunku 3 przedstawiono stanowisko [3] do tego
typu bada składaj ce si z:
- maszyny wytrzymało ciowej, której zadaniem jest
realizowanie obci enia próbki w postaci siły F(�) lub
przemieszczenia u(�);
F(t), u(t)
Fig. 4. Magnetic field vs applied force (prestress
Load control
�0 = 4.2 MPa)
` 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 - = Back N / * -
Tab Q W D E R T Y U I O P [ ] 7 8 9
Strength machine
CLock A S D F G H J K L ; ' Ent 4 5 6
Shift Z X C V B N M , ./ Shift \ 1 2 3
Ctrl Alt SPACE Alt Ctrl 0 . E LITERATURA
Strain optical
meter
[1] TIANXING  http://www.txre.net
[2] MIDE  http://www.mide.com
GMM
Themperature
T
[3] J. Bomba, J. Kaleta - Badanie własno ci
meter
cyklicznych materiałów o gigantycznej
magnetostrykcji. Stanowisko i metodyka bada .;
M
Power generator
The 19th Conference of Burst Mechanics and
Coil
Fatigue, Bydgoszcz 2002
H
Magnetic field
meter
Fig. 3. Schemat stanowiska do badania materiałów
typu GMM
(wersja robocza)
THE INFLUENCE OF PRESTRESS ON MAGNEOTMECHANICAL DAMPING
IN GIANT MAGNETOSTRICTIVE MATERIALS
Authors: Jacek Bomba M.Sc., Jerzy Kaleta Ph.D., DSc. Eng.
Wrocław University of Technology, Institute of Materials Science and Applied Mechanics,
ul. Smoluchowskiego 25, 50-370 Wrocław
1. Introduction
2.1. Description of investigated object and examination
Magnetostrykcja jest zjawiskiem fizycznym proposal
polegaj cym na deformowaniu si ciała przy zmianie
Obiektem bada były próbki z materiału wykazuj cego
magnetyzacji (dla rozpatrywanych materiałów b d cej
gigantyczn magnetostrykcj (GMM) [1, 2] w postaci
skutkiem zmiany zewn trznego pola magnetycznego).
pr tów o wymiarach Ć10 mm i długo ci 50 mm.
Z literatury przedmiotu [4, 5, 6] wiadomo, e wielko
Pomiary miały na celu okre lenie wpływu napr enia
deformacji  zale y od takich parametrów, jak np.
ciskaj cego �0 przyło onego wzdłu osi próbki na
temperatura T, przyło one zewn trzne napr enie
warto ci magnetostrykcji  (kształt i wielko krzywej
wst pne �0 , nat enie zewn trznego pola
magnetostrykcyjnej) w zewn trznym polu
magnetycznego H oraz widmo i czas trwania
magnetycznym H (przy stałej temperaturze
obci enia czynnego, mechanicznego (sensor) lub
zewn trznej T w warunkach quasistatycznych).
magnetycznego (aktuator).
2.2. Measurement setup
Autorzy pracy wykorzystali nowoczesny materiał o
gigantycznej magnetostrykcji do budowy aktuatora
Układ pomiarowy umo liwiał kontrol wielko ci �0, H,
(Fig. 1). Urz dzenie umo liwia płynn zmian
T oraz pomiar po redni wielko ci  przez okre lenie
prestress �0 . Istotnym zadaniem było dobranie dla
przemieszczenie ko ca próbki "l.
konkretnego materiału GMM wła ciwej warto ci �0 
Kontrolowan wielko przyło onego do próbki
optymalnej ze wzgl du na liniowo charakterystyki
napr enia ciskaj cego �0 zrealizowano za pomoc
H- i sprawno przekształcania energii magnetycznej
maszyny hydraulicznej MTS810, która pozwala tak e
w mechaniczn .
na pomiar wielko ci "l. Zewn trzne pole magnetyczne
H było generowane w układzie dwóch cewek
elektromagnetycznych w zakresie ą130 kA/m. Pomiar
składowych wielko ci pola magnetycznego
realizowany był za pomoc sondy Hall a. Wszystkie
sygnały były rejestrowane przez komputer pomiarowy
wyposa ony w 16-bitow kart pomiarow .
Pomiary wykonano dla �0 = {1; 4; 7; 10; 13; 16; 19;
22; 25; 28; 31; 34; 37; 40} MPa przy T = 200C.
3. Results
Dane eksperymentalne zostały poddane obróbce
z wykorzystaniem pakietu pomiarowego HPVEE 5.0.
Na rysunku 2 przedstawiono wyniki pomiarów
zale no ci wybranych krzywych magnetostrykcji 
Fig. 1. Scheme of magnetostrictive actuator; 1  drive
od nat enia zewn trznego pola magnetycznego H dla
rod, 2  spring, 3  upper cover, 4 
napr enia wst pnego �0 = {4; 10; 13; 19} MPa przy
magnetostrictive material, 5  coil, 6  housing
temperaturze T = 200C.
rods, 7  bottom cover
2. Examinations
1400
H = 130 kA/m. Na rysunku 5 widoczny jest wzrost
warto ci tłumienia "W w przedziale do �0 = 10 MPa, a
1200
nast pnie sukcesywny, prawie liniowy, jego spadek, a
1000
do warto ci "W = 10 A/m m/m. Istotne jest
800
zestawienie wyników warto ci "W odniesionych do
600
pól pod krzywymi magnetostrykcji "Ws. A
atwo
zauwa y , e stosunek ten przyjmuje wzgl dnie mał
400
4MPa 20C
warto (rz du 25 � 26%)  a wiec du sprawno
200
10MPa 20C
przekształcania energii magnetycznej w mechaniczn 
13MPa 20C
19MPa
0
przy warto ci napr enia wst pnego �0 H" 10 � 13 MPa.
-140 -105 -70 -35 0 35 70 105 140
W rezultacie przyj to, e w układzie pomiarowym
H [kA/m]
zastosowane zostanie ostatecznie �0 = 10 MPa. Nale y
Fig. 2. Influence of prestress on magnetostriction [3]
zauwa y , e zbli one warto ci uzyskano tak e w [4].
Na rysunku 3 przedstawiono zale no magnetostrykcji
 od warto ci nat enia pola magnetycznego H, dla
ró nych warto ci napr enia wst pnego �0. Wszystkie
analizowane rezultaty uzyskano dla temperatury
T = 200C. Rysunek 3 prezentuje rezultaty dla
wybranych warto ci �0 równych odpowiednio {1; 4;
10; 16; 19; 25; 40} MPa. Wyra nie widoczne s
ró nice w zakresie uzyskanych maksymalnych warto ci
 oraz warto ci pól histerezy w układzie
współrz dnych H-. Rezultaty te zestawiono
na rysunku 4. Maksymalne warto ci  zmieniały si od
3.10-4 (dla H = 20 kA/m) do 1,2.10-3 (dla
H = 120 kA/m). Krzywoliniowy charakter przebiegu
Fig. 7. Magnetomechanical damping vs prestress
(H) uzyskiwał stan nasycenia (maksimum) dla
(H = 130 kA/m)
napr e wst pnych z przedziału �0 = 5 � 10 MPa.
4. Conclusions
1400
1MPa
4MPa
1. Badania wykazały istotny wpływ �0 na
1200
10MPa
16MPa
charakterystyki magnetostrykcyjne oraz ilo
19MPa
1000
25MPa
dyssypowanej energii w badanym GMM. Okre lono
40MPa
800
szeroki zakres liniowy charakterystyki
600 magnetomechanicznej w układzie współrz dnych
H-.
400
2. Badania pozwoliły na okre lenie optymalnego, pod
200
wzgl dem liniowo ci charakterystyki jak i
0
maksymalnej warto ci magnetostrykcji, obszaru
0 20 40 60 80 100 120 140
napr e wst pnych na �0 = 10 � 13 MPa.
H [kA/m]
Ostatecznie przyj to, bior c pod uwag warto ci
Fig. 3. Influence of prestress on magnetostriction
tłumienia, e optymalne napr enie wst pne w
(T = 200C) [3]
zbudowanym wzbudniku powinno wynosi
20kA/m
1200
40kA/m
�0 = 10 MPa. Pozwoliło to na zwi kszenie
60kA/m
80kA/m
1000
sprawno ci przekształcania energii magnetycznej w
100kA/m
120kA/m
mechaniczn w samodzielnie wykonanym
800
wzbudniku.
600
3. Nast pnym krokiem autorów b dzie budowa układu
sterowania akturatorem, który umo liwi praktyczne
400
wykorzystanie go.
200
LITERATURE
[1] Bomba J., Kaleta J. (2002a): Badanie własno ci cyklicznych materiałów o
0
0 10 20 30 40 gigantycznej magnetostrykcji. Stanowisko i metodyka bada ., XIX
�0 [MPa] Sympozjum Zm czenie i Mechanika P kania, Bydgoszcz, Poland.
[2] Bomba J., Kaleta J. (2002b): Giant magnetostrictive materials (GMM) as a
Fig. 4. Magnetostriction vs prestress at different
functional material for construction of sensors and actuators., 19th
magnetic field intensity [3] DANUBIA-ADRIA Symposium on Experimental Methods in Solid
Mechanics, September 25-28 2002, Polanica Zdrój, Poland.
[3] Bomba J., Kaleta J., Sawa P. (2003): Wpływ napr e wst pnych na
Nast pnie rozwa ono wpływ �0 na warto tłumienia,
zjawiska mgnetomechaniczne w materiałach o gigantycznej
co obrazuje rysunek 5. Za miar tłumienia "W przyj to
magnetostrykcji., II Sympozjum Mechaniki Zniszczenia Materiałów i
Konstrukcji, 4-7.06.2003, Augustów, Poland.
pole p tli histerezy (jedynie dla dodatnich odcinków  i
[4] Engdahl G. (2000): Handbook of Giant Magnetostrictive Materials,
H) w układzie współrz dnych -H. Jednostk tak
Academic Press, Stockholm
rozumianego tłumienia jest zatem [A/m . m/m]. Wyniki [5] Jiles D. (1995): Introduction to Magnetism and Magnetic Materials,
Chapman & Hall, London.
na rysunku prezentuj wybrany przypadek, gdy
[6] Tremolet de Lacheisserie (1993): Magnetostriction: Theory and
przyło ono do próbki pole magnetyczne o nat eniu
Applications of Magnetoelasticity, CRC Press, Boca Raton.
-6

10 [-]
-6

10 [-]
-6

10 [-]
INVESTIGATION OF MAGNETOSTRICTIVE ACTUATOR
Authors: Jacek Bomba MSc Eng, Jerzy Kaleta PhD, DSc Eng., Paweł Sawa
Wrocław University of Technology, Institute of Materials Science and Applied Mechanics,
ul. Smoluchowskiego 25, 50-370 Wrocław
1. Introduction values f (constant temperature and prestress value 
13 MPa).
Magnetostriction is a physical phenomenon that can be
2.2. Measurement stand
described as the deformation of a body in response to
a change in its magnetisation, which changes due to a
The measurement stand (Fig. 2) enabled a control of
change of external magnetic field. From the other
�0, H(t) and a measurement of the end of the GMM rod
papers [4, 5, 6] it is well known that deformation 
acceleration, while the other end was fixed.
depends on such parameters as temperature T, applied
Displacement "l of the GMM rod and the actuator
external stress �0 (prestress), external magnetic field
attachment bolt was calculated from an acceleration
intensity H, mechanical and magnetic load spectrum.
sensor by double integration the collected signal.
1400
ACCELEROMETER
ICP AMPLIFIER
PCB ICP 583
1200
1000
FREQUENCY
GENERATOR
800
MEASUREMENT
600
HI-POWER AMPLIFIER
BOARD
R +/- 40V
DT9800
400
V
4MPa 20C
SIGNAL AMPLIFIER
200
PC
10MPa 20C
x100/200/500/1000
13MPa 20C
19MPa
0
Fig. 2. Measurement arrangement
-140 -105 -70 -35 0 35 70 105 140
H [kA/m]
The stand (Fig. 2) consisted of magnetostrictive
Fig. 1. Influence of prestress on magnetostriction [3]
actuator, controlled power supply including hi-power
amplifier and Metex MS-9140 frequency generator,
The authors applied an advanced giant
PCB 336C accelerometer with PCB ICP 583 ICP
magnetostrictive material Terfenol-D [1, 2] to an
amplifier, a special resistor with amplifier for obtaining
actuator construction [7,8]. The device enables a
magnetic field and measurement board DT9800.
smooth change of prestress �0 (Fig. 1) and magnetic
The control of �0 was realised by a special screw and a
field H. It is assumed that the actuator should enable
constant-force disk spring. The used stress value was
loads with broad spectrum of frequencies. Mass of a
13 MPa.
device should be minimal, it should offer large forces
The magnetic filed was generated by the coil in the
with possible large amplitudes and high efficiency.
range of ą26 kA/m. A signal of H(t) was controlled by
the arrangement of the hi-power amplifier and the
2. Examinations
frequency generator. The arrangement allowed to
2.1. Description of investigated object and examination
control current in magnetic coil. By controlling current
proposal
we can control the magnetic field inside the coil.
Current was obtained by measure of voltage drop on a
Magnetostrictive actuator [7,8] including GMM rod of
special resistor R. Under control was both amplitude
Terfenol-D [1] Ć10 mm x 100 mm size was examined.
and frequency of the current.
The tests were aimed at measuring displacement "l
A signal of "l was obtained from double integral of
along the rod-axis due to change magnetic field
acceleration signal. Acceleration was measured by
intensity H(t) in magnetic coil, at different frequency
PCB 336C accelerometer connected with PCB ICP 583
ICP amplifier. The accelerometer enables measurement
-6

10 [-]
in range of 10  1000 Hz and a resolution 0.001 g. 4. Conclusions
The data was collected by PC workstation equipped
1. The investigations showed the significant influence
with Data Translation 9800 16-bit measurement board.
of frequency and bias magnetic field on the shape of
magnetostrictive curves and quantity of dissipated
The measurements were performed for f = {10; 20; 30,
energy in GMM. The frequency of magnetostrictive
70, 100, 200} MPa at T = 200C and �0 = 13MPa.
actuator in current configuration of coil and power
supply was obtained as 200 Hz.
3. Results
2. The tests enabled to obtain magnetic field intensity
The data was processed with use of HPVee 5.0
vs displacement curves for magnetostrictive actuator
software. Collected data processing enabled obtaining
modelling.
displacement of actuator attachment bolt and real
magnetic field intensity value inside the coil affecting
LITERATURE
the Terfenol-D rod. Integration of acceleration signal
[1] Bomba J., Kaleta J. (2002): Badanie własno ci
was performed with FFT.
cyklicznych materiałów o gigantycznej
Fig. 3 shows a selected result of magnetic field
magnetostrykcji. Stanowisko i metodyka bada .,
intensity H vs displacement curve for the frequency of
XIX Sympozjum Zm czenie i Mechanika P kania,
20 Hz at a prestress �0 = 13 MPa, T = 200C. Quite high
Bydgoszcz, Poland.
of damping compare to static curves [7] is evident. It is
[2] Bomba J., Kaleta J. (2002): Giant magnetostrictive
due to frequency dependence of magnetostrictive
materials (GMM) as a functional material for
curves.
construction of sensors and actuators., 19th
DANUBIA-ADRIA Symposium on Experimental
Methods in Solid Mechanics, September 25-28
2002, Polanica Zdrój, Poland.
[3] Bomba J., Kaleta J., Sawa P. (2003): Wpływ
napr e wst pnych na zjawiska
mgnetomechaniczne w materiałach o gigantycznej
magnetostrykcji., II Sympozjum Mechaniki
Zniszczenia Materiałów i Konstrukcji,
4-7.06.2003, Augustów, Poland.
[4] Engdahl G. (2000): Handbook of Giant
Magnetostrictive Materials, Academic Press,
Stockholm.
[5] Jiles D. (1995): Introduction to Magnetism and
Magnetic Materials, Chapman & Hall, London.
[6] Tremolet de Lacheisserie (1993): Magnetostriction:
Fig. 3. Magnetic field intensity H vs displacement
Theory and Applications of Magnetoelasticity,
(�0 = 13 MPa, T = 200C)
CRC Press, Boca Raton.
[7] Bomba J., Kaleta J., Sawa P. (2003):  The
Fig. 4 shows the result of magnetic field intensity H vs
Influence of Prestress on Magnetomechanical
displacement curve for the same frequency as previous
Damping in Giant Magnetostrictive Materials.;
but in presence of bias magnetic field (offset) 13.2
20th DANUBIA-ADRIA Symposium on
kA/m. This result is much satisfactory for controlling
Experimental Methods in Solid Mechanics, 24-
of displacement in magnetostrictive actuator.
27.09.2003, Gyor, Hungary (ISBN 963-9058-20-3)
[8] Bomba J., Kaleta J., (2003):  Giant
Magnetostrictive Materials (GMM) - Functional
Materials for Sensors and Actuators.; Workshop
SMART'03, Jadwisin 2-5.09.2003; AMAS
 Conference Proceedings , Warsaw, Poland
Fig. 4. Magnetic field intensity H vs displacement 
offset H = 13.2 kA/m (�0 = 13 MPa, T = 200C)