Stop NiMnGa należy do grupy materiałów SMART, których właściwości ulegają zmianie pod wpływem pola magnetycznego. Stop charakteryzuje się magnetostrykcją liniową (do 6% wydłużenia), pamięcią kształtu oraz magnetokalorycznością. Materiały o takich właściwościach znalazły swoje zastosowanie w przemyśle na przykład jako czujniki służące do pomiaru wielu parametrów: siły, wielkości magnetycznych oraz przemieszczenia. Artykuł przedstawia badania materiałowe przeprowadzone na próbce monokryształu NiMnGa w stanie dostarczenia za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego. Uzyskane wyniki mają w przyszłości przyczynić się do opracowania konstrukcji aktuatora z wykorzystaniem tego materiału.

Wprowadzenie

Stop NiMnGa należy do grupy materiałów SMART, które zmieniają swoje właściwości pod wpływem pola magnetycznego. Materiały te tworzą liczną grupę tworzyw konstrukcyjnych o ciekawych walorach i interesujących cechach aplikacyjnych. Wewnętrzne parametry danego materiału są ściśle zależne od jednego pola fizycznego np. pola magnetycznego czy pola elektrycznego. Do tej grupy należą takie typy materiałów jak: magnetostrykcyjne, magnetoreologiczne, magnetokaloryczne, piezoelektryczne, z pamięcią kształtu czy elektrostrykcyjne. Materiały o takich właściwościach znalazły swoje zastosowanie w przemyśle na przykład do utrzymywania zadanego położenia w konstrukcjach aktuatorów czy do pomiarów wielkości magnetycznych jako sensory.

Charakterystyka stopu NiMnGa

Do tej pory powstałe elementy wykonawcze oparte na NiMnGa są sterowane polem magnetycznym, a parametry wyjściowe tych urządzeń, takie jak: maksymalne przemieszczenie, generowana siła czy częstotliwość pracy, nie mają zbyt wysokich wartości, a same konstrukcje mechaniczne posiadają wiele wad, które można zauważyć na podstawie krótkiej żywotności urządzenia. Działanie aktuatorów jest oparte na zjawisku magnetostrykcji liniowej, którą stop NiMnGa odznacza się na poziomie nawet do 6% [1, 2] przy indukcji magnetycznej 1-2T, inne właściwości materiału to pamięć kształtu oraz magnetokaloryczność. Celem przeprowadzanych badań jest zapoznanie się z cechami materiału, aby w przyszłości umożliwić stworzenie odpowiedniej konstrukcji aktuatora. Badany materiał został zakupiony w firmie AdaptaMat w postaci prostopadłościennego monokryształu o wymiarach 20x3x2 mm (rys.1), a jego analiza została przeprowadzona bez żadnej uprzedniej termicznej obróbki.

Rys. 1. Zdjęcie próbki stopu NiMnGa (lewa strona); Określenie wymiarów oraz badanej powierzchni (prawa strona)

Przeprowadzone badania oraz otrzymane wyniki

Badania zostały wykonane przy pomocy skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) z wykorzystaniem trzech różnych detektorów: SE, BSE oraz EDX (mapping). Próbka została zainkludowana w żywicy przewodzącej, a następnie kilkakrotnie trawiona Nitalem.

Przegląd mikrostruktury stopu NiMnGa z wykorzystaniem SEM

Rysunek 2 przedstawia zdjęcia mikrostruktury powierzchni stopu NiMnGa.

Rys. 2. Mikroskopowy obraz topografii powierzchni stopu NiMnGa. Struktura typu martenzytycznego. Lewa strona - powiększony obraz mikrostruktury powierzchni stopu NiMnGa, (1 – obszary martenzytu,2 - austenit szczątkowy). Prawa strona - SEM

Lewe zdjęcie na rysunku 2 ukazuje pasmowość materiału na powierzchni, a prawa strona przestawia powiększony obraz powierzchniowej mikrostruktury stopu w celu wyraźniejszego ukazania pasmowości oraz umożliwienia lepszego określenia jej cech. W oparciu o rysunek 2 została określona przypuszczalna struktura typu martenzytycznego z austenitem szczątkowym znajdujących się między płytkami [3]. Przypuszczalną strukturę można potwierdzić za pomocą badań na transmisyjnym mikroskopie elektronowym (TEM). Widoczna na rysunku 2 struktura prawdopodobnie powstała w wyniku deformacji materiału, które skutkowało zajściem przemiany martenzytycznej.

Analiza mikropęknięć na powierzchni stopu z wykorzystaniem SEM

Rysunek 3 przedstawia siatkę mikropęknięć na powierzchni próbki. Mikropęknięcia powstały najprawdopodobniej w wyniku nieodpowiedniego przyłożenia obciążenia mechanicznego oraz podczas przygotowywania próbki do badań.

Rys. 3. Mikroskopowy obraz mikropęknięć na powierzchni stopu NiMnGa; SEM

Na podstawie rysunku 3 można zauważyć, że pęknięcia nie są ułożone chaotycznie, a występują one w ściśle określonych miejscach oraz kierunkach. Pęknięcia są względem siebie prostopadłe. Prawdopodobne w materiale występują uprzywilejowane płaszczyzny, w których to najpierw dochodzi do zerwania wiązań międzyatomowych. Takie miejsca w strukturze słabiej przeciwstawiają się działającej na nie sile co w efekcie prowadzi do powstania pęknięcia. Ważnym wnioskiem wynikających z mikropęknięć na powierzchni stopu jest odpowiednie posługiwanie się materiałem.

Rozkład pierwiastków na powierzchni stopu NiMnGa (mapping)

Tabela 1 przedstawia procentowy udział poszczególnych składników: Ni (niklu), Mn (manganu) oraz Ga (galu).

Tabela 1. Procentowy udział pierwiastków

Procentowy udział poszczególnych składników badanego materiału sugeruje jego przynależność do grupy stopów nazywanych stopami Heuslera. Stechiometryczny wzór badanego stopu może zostać określony jako Ni2MnGa. Pozostała zawartość składu (1.61%wt) wynika z niedokładności czułości sondy oraz wpływu przygotowania próbki do badań. Zdjęcie znajdujące się po prawej stronie rysunku 4 przedstawia rozkład powierzchniowy pierwiastków, który został wykonany na podstawie zdjęcia po lewej stronie.

Rys. 4. Mikrostruktura powierzchni stopu NiMnGa (lewa strona); Mapping pierwiastków (prawa strona)

Badanie zostało wykonane za pomocą detektora energii promieniowania rentgenowskiego wzbudzanego w próbce przez wiązkę elektronów na skaningowym mikroskopie elektronowym (EDX na SEM).
Na podstawie rysunku 4 widoczny jest równomierny rozkład pierwiastków na powierzchni stopu. Można sugerować, że materiał nie posiada żadnych niedoskonałości w strukturze oraz prawdopodobnie jego poprawność wytworzenia.

Podsumowanie

Przeprowadzone badania wykazały, że bardzo ważnym aspektem podczas wykorzystania NiMnGa jest jego zamontowanie na przykład w konstrukcji aktuatora czy sensora. Wszelkie niedelikatne obchodzenie się ze stopem jego eksploatacji może prowadzić do nieodwracalnych zniszczeń materiału. Powstające pęknięcia w strukturze materiału mogą być przyczyną krótkiej żywotności prototypowych konstrukcji elementów wykonawczych, które do tej pory powstały na bazie NiMnGa.

W przyszłości NiMnGa prawdopodobnie będzie wykorzystywany tak często jak obecnie Ter-fenol-D, który odznacza się magnetostrykcją na poziomie 0.24% i ze względu na jego kruchość często stosowany jest w postaci kompozytu.

Bibliografia
[1]. J. S. Murray, M. Marioni, S. M. Allen, R. C. O’Handley,: 6% magnetic-field-induced strain by twin-boundary motion in ferromagnetic Ni-Mn-Ga, American Institute of Physics, 7 August, 2000, volume 77, number 6.
[2]. E. Pagounis, M. Maiier, M. Laufenberg: Properties of large Ni-Mn-Ga single crystals with a predominant 5M-martensitic structure, 3rd International Conference on Ferromagnetic Shape Memory Alloys, Drezno, Niemcy, 2011, s. 207-208.
[3]. A. Backen, S. Weiss, A. Kauffmann, U. K. Rössler, J. Freudenberg, L.Schultz, S. Fähler,: Martensitic Marquerty, 3rd International Conference on Ferromagnetic Shape Memory Alloys, Drezno, Niemcy, 2011, s. 55-56.

Study of the microstructure and chemical distribution at the surface of NiMnGa

NiMnGa alloy is a part of group of SMART materials the properties of which are changed under the influence of magnetic field. This alloy is distinguished by linear magnetostriction (elongation up to 6%), shape memory and magnetocaloric effect. Materials with such properties found their application in industry, for example as sensors used to measure many parameters: force, magnetic qualities and displacement. The article presents the material studies conducted on the sample of monocrystal NiMnGa using scanning electron microscope. In the future, the obtained results could be useful in designing actuators using this material.

Jerzy Kaleta, Daniel Lewandowski, Dajana Sawicka

Instytut Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej, Politechnika Wrocławska,
Ul. Smoluchowskiego 25, 30-570 Wrocław, Tel. +48 (71) 320-27-65

Dajana Sawicka studentka Mechatroniki oraz Indywidualnego Programu Studiów na Wydziale Mechanicznym Politechniki Wrocławskiej. Prowadzi badania stopu NiMnGa charakteryzującego się interesującymi właściwościami magnetomechanicznymi. Badania wykonywane są w ramach pracy inżynierskiej w Instytucie Materiałoznawstwa i Mechaniki Technicznej pod kierownictwem dr hab. inż. Jerzego Kalety prof. nadzw. PWr oraz dr inż. Daniela Lewandowskiego. Zainteresowania: astronomia, materiały SMART, materiałoznawstwo, badania nieniszczące NDT, sztuki walki.

Artykuł dostępny w numerze 1/2012 Otwartych Innowacji, wersja PDF po zalogowaniu się