2121403363

26

Zjawiskiem odwrotnym do magnetostrykcji jest konwersja magnetosprężysta, polegająca na zmianie parametrów magnetycznych ferTomagnetyków pod wpływem naprężeń zewnętrznych. Zależność ta. związana z ferromagnetykami, nazwana od odkrywcy efektem Villariego, umożliwia pomiar obciążeń mechanicznych w elementach maszyn. W określonym zakresie natężeń pola magnetycznego i naprężeń efekt Vilariego jest odwrotnością efektu Joule'a. Wartość współczynnika magnctostrykcji opisuje podatność materiału do badań magnetycznych naprężeń. Zmiany przenikalności materiału od obciążeń sprężystych wyprowadzane są z zachodzących w materiale procesów energetycznych [46. 61].

Efekt Villariego zdefiniowany jest jako stosunek energii sprężystości £₀ do całkowitej zawartej energii E_c, wraz z energią pola magnetycznego w badanej próbce fenromagnetyka. Stosunek ten jest nazwany współczynnikiem magnetomechanicznym i przyporządkowano mu oznaczenie Ej* [46].

—r—r—r—c~*    (2.21)

E_c £„+£«,+£*+£,+£*

gdzie: En - energia pola magnetycznego (proporcjonalna do natężenia pola i polaryzacji magnetycznej).

E_e - energia magnetosprężysta (związana z magnetosirykcją z, i naprężeniami a),

£* - energia anizotropii magnetycznej zawarta w budowie kryształu,

£„ - jednoosiowa energia anizotropii.

Es energia anizotropii kształtu.

£< - energia całkowita.

Uwzględniając przeważający udział energii magnetosprężystej i energii pola magnetycznego nad pozostałymi składnikami, wzór 2.21 przyjmuje postać uproszczoną:

K, ,=-. F-.+Eh	(2.22)
Eh = -JtHcos(p	(2.23)
Ea ~ Xsosin^:<p,	(2.24)

gdzie <p - kąt między magnetyzacją a kierunkiem naprężeń.

Po przekształceniu wzoru (2.22), otrzymamy następującą zależność:

(2.24a)

Er 3*,Eo

gdzie: J, - magnetyzacja nasycenia,

fio - pr/enikalność magnetyczna próżni (współczynnik magnetyczny). Po przekształceniu otrzymamy zależność na przenikalność względną:

(2.25)

gdzie: n, - przenikalność magnetyczna względna.

Er - moduł Younga, c odkształcenie wzdłużne.

X, - współczynnik magnetostrykcji.

Zapis termodynamiczny omawianych zależności przedstawia równanie [5]:

l{dH)_a U <t)_h

= d ■

(2.26)

Zmiany magnetyzacji J lub indukcji magnetycznej B od naprężeń o są równoważne zmianom odkształceń magnetostrykcji ). - Mfl od zmian natężenia pola magnetycznego //. Związki te definiują czułość „piezomagnetyczną” d materiału [56 ■ 60). Zależnie od znaku magnetostrykcji kierunek działania sił może zmniejszać lub zwiększać magnetyzację.

Odwracalne zmiany magnetosprężyste występują w ograniczonym zakresie we wszystkich materiałach spolaryzowanych magnetycznie, wykazujących magnciostrykcję. Złożone przeliczenia termodynamiczne [59—60], opisane podstawową zależnością (2.12). sprowadzają się do wykazania tożsamości:

d-A.    (2.27)

Współczynnik magnetostrykcji z jest równoważny współczynnikowi czułości d. Wpływ naprężeń na związki magnelomcchanicznc materiału (o magnetostrykcji dodatniej i ujemnej) dla czystego Ni oraz stopu 68% NiFc [46] pokazano na rysunku 2.4.

T 0.8 J 0.4 ! - 0.0&	B O=20MPa 7 y- 68%NiFe X=+25’10 | yf 0=0 MPa VI C^OMPa W^7' l00%Ni \»-35*10*
	7 400/ 800 ftjm
	/ /O*20MPa i i
	i i 7

Rys. 2.4. Pętle histerezy magnetycznej Fig. 2.4. Magnetic hysteresis loop

Współczynniki magnetostrykcji stopów żelazo - nikiel uzyskiwały maksymalny współczynnik magnetostrykcji 24-10 * przy zawartości 20% lub 40 % niklu. Współczynniki magnetostrykcji współczesnych materiałów sięgają rzędu 2000-10'⁶. Zestawienia ważniejszych pierwiastków i materiałów o wysokich i bardzo wysokich współczynnikach magnetostry kcji [46. 87] zamieszczono w tabelach 2.2 i 2.3. Materiały, o których jest mowa w opracowaniu, są materiałami konstrukcyjnymi o współczynnikach magnetostrykcji < 2-10*. Współczynniki magnetostrykcji żelaza technicznego są zależne od jego czystości i zmieniają się nieliniowo od 0,58-10"* do 4,40-10* dla żelaza elektrolitycznego przy liniowym wzroście natężenia pola magnetycznego magnesującego [87], Wpływ zanieczyszczeń jest także istotny. Dla żelaza technicznego o zanieczyszczeniach w przedziale od 0.3% do 0.4% współczynnik magnetostrykcji może wzrosnąć do 5,31 10*. Pierwiastki stopowe krzemu i węgla zmieniają współczynnik magnetostrykcji. Dla zawartości krzemu od 2% do 8% dla osi krystalograficznych [13] współczynnik magnetostrykcji zmienia się od 27-10'* do -9-10'* [13. 31]. Obróbka cieplna, obróbka plastyczna, temperatura materiału także wpływają na wartość współczynnika magnetostrykcji [13, 87).

Cyklicznemu obciążeniu materiałów w zakresach naprężeń zmęczeniowych towarzyszą zmiany własności fizycznych. Zjawiska fizyczne, towarzyszące procesowi zmęczenia, wymagają wydatku energetycznego wyrażonego równaniem (2.28) [61]:

(2.28)

AEj = A£__a + \E_{rntr +}AE_mtx+AE_cm,