智能金属材料

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具有空间取向性；
磁致伸缩系数随外磁场非线性变化；
微分磁致伸缩率：曲线上各点切线的斜率；
线性区:磁致伸缩系数随外磁场线性变化，各点的 微分磁致伸缩率相等且绝对值较高；
——材料或器件工作最为有利。 评价材料性能——线性区微分磁致伸缩率。
磁致伸缩智能器件设计：
在线性区工作； 线性区：宽； 线性区起始磁场强度：小。
• 自适应功能，指材料可通过自身内部结构的调整来适应刺 激因素的变化。
• 自执行功能，指材料受刺激因素作用后可完成的一定的机 械动作等。
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2.2 金属材料自预警、自修复
损伤机制
2.2.1 金属材料损伤机制与自预警和自修复功能
* 微孔或缺陷导致材料在使用过程中因产生 疲劳裂缝和蠕变变形而受到损伤。 * 缺陷尺寸越大，越易受损伤，所需疲劳破 坏应力就越小，但当缺陷小于一定的极限 尺寸时，疲劳强度不再受其影响。 实际应用中，在保证强度前提下允许材料内部 有微孔存在。
展，大幅提高Fe-Cr合金的疲劳裂化临界值。
★钼钢中分散二氧化锆微粒
材料内部裂缝扩展时，二氧化锆粒子发生相变， 缓解尖端的应力集中，从而阻断损伤，相当于对材 料进行了补强修复。
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(3)丝线、薄膜型
在材料内部埋入功能性丝线或表面涂覆功能 性薄膜，直径或厚度在毫米以下。
功能物质：压电陶瓷、形状记忆合金等。 ★聚合物中埋入Ti－Ni形状记忆合金细线 丝线附近产生损伤裂缝时，丝线受到作用， 电流流通使合金丝线温度升高，发生形状记忆而 拉紧，从而使裂缝闭合或缩小，实现自修复。 ★Al合金中排列Ti－Ni形状记忆合金长纤维
通过热处理使SMA纤维产生收缩变形，在Al 母材中产生残留压应力，使材料内部的损伤裂缝自 动闭合，实现强韧化。
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2.3 超磁致伸缩材料
磁致伸缩现象(效应)：
铁磁性物质在外磁场中被磁化时,其长度、 尺寸及体积大小均发生变化 ；去掉外磁场后,其 又恢复原来长度与体积的现象。 磁致伸缩材料 材料内部小磁畴在外磁场作用下发生偏转并 沿磁场方向取向从而引起材料产生应变的材料。
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(2)磁致伸缩效应的表征
★磁致伸缩系数 在磁化过程中，磁体沿磁化方向单位长度上 发生的长度变化——线磁致伸缩系数λ。
λ＝Δl / l
l ——磁体的原始长度
Δl——磁化后长度的改变
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λ与测量方向有关
∥ 磁场方向 — 纵向磁致伸缩系数 λ∥ （默认）
⊥磁场方向—横向磁致伸缩系数λ⊥
λ是磁场和温度的函数 温度一定， λ的绝对值随磁场增大而增大，达 到饱和磁化时，达到一稳定的饱和值 —— 饱和 磁致伸缩系数λs（常数）。
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1)线磁致伸缩 磁体磁化时，伴有晶格的自发变形，即沿磁化方 向伸长或缩短，体积几乎不变，只改变磁体的外形。 变化数量级：l0-6－10-5。 在磁化未达到饱和状态时产生。 2)体积磁致伸缩
饱和磁化以后磁体磁化状态改变时体积发生 膨胀或收缩的现象。 变化量很小，在测量和研究中很少考虑。
一般磁致伸缩均指线磁致伸缩。
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自预警、自修复构思
自预警功能：在材料内部的微孔中预埋入可产生 声波的物质，当材料受到损伤，微孔扩展成较大 裂缝时，预埋物质产生声响，实现报警。
自修复功能：在材料内部分散或复合裂缝扩展时能 发生相变的物质、促进氧化过程的物质或一些功能 性物质。材料受损伤时，这些物质受作用而发生某 种变化，抑制损伤进一步发展，实现自修复。
主要内容
• 形状记忆合金
• 形状记忆聚合物 • 金属材料自预警、自修复 • 超磁致伸缩材料
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பைடு நூலகம்
引言
• 许多应用领域从安全性和可靠性角度出发期望材料在受到 损伤时具有自检知、自判断和自行动功能。 • 自行动功能分为自预警、自适应和自执行三种类型。 • 自预警功能即信号功能，当材料有损伤或外界刺激因素的 强度超出某阈值时，材料会发出诸如变色、发热、声波、 电磁异常等信号。
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★表面伤口、裂纹自修补 不锈钢：金属Cr→ 氧化膜
金属铝：氧化铝保护膜
钛铝合金高温发动机：易氧化元素在高温下自动 形成修补物质
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(2)微球型：微米级别，如Y2O3、ZrO2、Cr2N等微粒。 ★Fe-Cr合金中分散Y2O3微球 Y2O3微粒可捕集有害的硫，形成稳定的Y2S3，
从而对裂纹尖端氧化膜起到补强作用，抑制裂缝发
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2.2.2 自修复类型
按照修复剂在材料内部分散的尺度分为： (1) 微量元素型：纳米乃至原子尺度， 加入量很少，如B、N、Zr等。 ★含微量N和B的不锈钢SUS304
高温高真空下表面形成的BN膜剥离或损伤后，还可通 过真空加热而再生——自修复功能。 内部微孔或缺陷满足高温、真空条件，其表面形成BN 膜，阻止其它原子扩散迁移，稳定了微孔表面-----有效 抑制和补强修复高温高载荷下的蠕变损伤。
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λs可正、可负
铁：随磁化强度M的增加沿磁化方向伸长，正λs；
镍：随磁化强度M的增加沿磁化方向缩短，负λs。
λs的方向性
单晶体：各向异性，默认平行于磁场方向的λs； 多晶体：各向同性，各晶粒λs的统计平均值。
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★磁致伸缩率
磁致伸缩系数(通常指平行于外磁场方向)随外 磁场变化的变化率。
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★机电耦合系数(磁弹性耦合系数或磁机械耦合系数 )
对于没有损耗或有辐射的磁机械振子， k2表示每个周期内
磁能可以转换成机械(弹性)能的那部分； 已贮存的机械(弹性)能中可以转换成磁能的部分。
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2.3.2 稀土超磁致伸缩材料
(1)高磁致伸缩金属与合金分类 1)传统金属与合金
纯镍、镍钴合金 (95%Ni-Co) 、铁镍合金 (45%Ni-Fe) 、 铁铝合金(13%A1-Fe)、铁钴合金(65%Co-Fe)等。 λs ：(±30-70)×10-6；k：0.15-0.5。 2)非晶态合金
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2.3.1 磁致伸缩效应及其表征
(1)磁致伸缩效应
磁致伸缩效应： 1842年 焦耳
在磁场中磁化状态改变时，铁磁和亚铁磁材料
磁致伸缩逆效应：Villari 当外加应力使材料产生应变时，材料的磁化 曲线发生可逆性变化。通常材料在应力方向（或 垂直方向）上将产生磁化强度的变化。也叫压磁 效应或磁弹性效应。