×

磁致伸缩形状记忆合金复合体系超低场诱导磁弹热效应的多尺度磁-热-机械耦合模型。 (英语) 兹比尔07411525

摘要:最近的实验结果表明,在超低磁场下,磁致伸缩形状记忆合金复合体系可以诱导明显的磁弹热效应。本文建立了一个多尺度理论模型,通过考虑晶粒、多晶集合体和宏观尺度中非均匀组元之间的多场相互作用,预测这种复合系统的磁-热-机械耦合响应。在晶粒尺度上,对于磁致伸缩合金(MEA),由畴间相互作用引起的应力和磁场波动由自洽均匀化方案解决。采用基于能量分析的概率域切换准则,建立了MEA的本构模型。对于形状记忆合金(SMA),在不可逆热力学的框架下,建立了基于晶体塑性的热-力耦合本构模型。Mori-Tanaka的均匀化方案考虑了奥氏体相和马氏体变体之间的相互作用。从耗散不等式和能量守恒分别导出了马氏体相变的热力学驱动力和相变潜热和非弹性变形耗散引起的内热。在多晶集料尺度下,为了估计晶粒之间的相互作用,并预测MEA和SMA多晶集体的整体响应,开发了一种统一的增量磁热机械耦合自洽均匀化方案。在宏观尺度上,考虑变形协调、力平衡和热力学平衡条件,导出了复合材料系统中MEA杆、SMA长方体和铝合金框架之间的磁-热-机械相互作用方程。通过将预测结果与现有实验数据进行比较,验证了所提出的多尺度模型描述MEA-SMA复合材料系统磁弹热效应的能力。此外,还讨论了几何尺寸、预载、框架刚度和晶体取向对复合体系磁弹热效应的影响。该模型为固态制冷装置的微观和宏观优化设计提供了理论指导。

MSC公司:

74-XX岁 可变形固体力学
82至XX 统计力学,物质结构
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] 阿南德,L。;Gurtin,M.E.,晶体形状记忆材料超弹性中的热效应,固体力学和物理杂志,51,1015-1058(2003)·Zbl 1032.74019号
[2] Arghavani,J。;Auricchio,F。;Naghdabadi,R.,基于Hencky应变的有限应变动态硬化本构模型:一般框架、求解算法和形状记忆合金的应用,国际塑性杂志,27,6,940-961(2011)·Zbl 1426.74065号
[3] Armstrong,W.D.,Tb(0.27-0.30)Dy(0.73-0.70)Fe(1.9-2.0)中的磁化和磁致伸缩过程,应用物理杂志,81,5,2321-2326(1997)
[4] Armstrong,W.D.,《伪铜铁磁致伸缩合金的磁弹性滞后增量理论》,《磁性与磁性材料杂志》,263,1-2,208-218(2003)
[5] Auricchio,F.,有限应变形状记忆合金超弹性模型的稳健积分算法,国际塑性杂志,17,7,971-990(2001)·Zbl 1107.74338号
[6] Auricchio,F。;Reali,A。;Stefanelli,U.,描述永久无弹性应力诱导固相转变的三维模型,国际塑性杂志,23,2,207-226(2007)·Zbl 1105.74031号
[7] 巴利,M。;Jandl,S。;福尼尔,P。;Kedous-Lebouc,A.,《用于磁冷却的先进材料:基础和实践方面》,《应用物理评论》,第4、2期,第021305页,(2017年)
[8] Chemisky,Y。;杜瓦尔,A。;Patoor,E。;Zineb,T.B.,形状记忆合金的本构模型,包括相变、马氏体再取向和孪晶调节,材料力学,43,7,361-376(2011)
[9] 陈,H。;肖,F。;X·梁。;Li,Z。;Li,Z。;Jin,X.,掺铝纳米晶Ti-Ni-Cu形状记忆合金中宽温度窗口的巨弹性热效应,材料学报,177169-177(2019)
[10] Cherkaoui,M。;Berveiller,M。;Lemoine,X.,《塑性与马氏体相变之间的耦合:多晶TRIP钢的整体行为》,《国际塑性杂志》,16,10-11,1215-1241(2000)·Zbl 1064.74637号
[11] Cherkaoui,M。;Berveiller先生。;Sabar,H.,奥氏体单晶中马氏体相变诱导塑性(TRIP)的微观力学建模,国际塑性杂志,14,597-626(1998)·Zbl 0969.74048号
[12] 聪,D。;熊,W。;平面,A。;任,Y。;Mañosa,L。;Cao,P.,铁弹性Ni-Mn-Ti合金中的巨大弹性热效应,《物理评论快报》,122,25,第255703条,pp.(2019)
[13] 崔,J。;Wu,Y。;Muehlbauer,J。;黄禹锡。;拉德马赫,R。;Fackler,S.,《利用NiTi丝实现大ΔT高效弹性热冷却的演示》,《应用物理快报》,101,7,第073904页,(2012)
[14] 丹尼尔·L。;O.休伯特。;北布隆。;Billardon,R.,《可逆磁弹性行为:多尺度方法》,《固体力学与物理杂志》,56,3,1018-1042(2008)·Zbl 1149.74020号
[15] 丹尼尔·L。;Rekik,M。;Hubert,O.,《包括磁滞效应在内的磁弹性行为的多尺度模型》,《应用力学档案》,84,9,1307-1323(2014)·Zbl 1341.74059号
[16] Duenas,T.A。;Hsu,L。;Carman,G.P.,《磁致伸缩复合材料系统分析/实验》,Mat.Res.Soc.Symp。程序。,459, 527-543 (1997)
[17] Dunn,M.L.,横观各向同性压电介质的电弹性格林函数及其在夹杂物和非均匀性问题求解中的应用,国际工程科学杂志,32,119-131(1994)·Zbl 0798.73046号
[18] Dutkiewicz,J。;加藤,H。;三浦,S。;美国梅塞施密特公司。;Bartsch,M.,CuAlMn单晶伪弹性变形期间的结构变化,材料学报,444597-4609(1996)
[19] Eshelby,J.D.,《椭球体包裹体弹性场的测定及相关问题》,伦敦皇家学会学报A,241376-396(1957)·Zbl 0079.39606
[20] 埃文斯,P.G。;Dapino,M.J.,Galfenol场致磁化和磁致伸缩的有效模型,应用物理杂志,105,11,第113901页,(2009)
[21] 加尔,K。;Maier,H.J.,沉淀NiTi形状记忆合金的循环变形机制,材料学报,50,18,4643-4657(2002)
[22] 加尔,K。;Sehitoglu,H.,多晶NiTi拉压不对称中织构的作用,国际塑性杂志,15,69-92(1999)·Zbl 1056.74525号
[23] 戈茨勒,W。;佐格,R。;Young,J。;Johnson,C.,《非蒸汽压缩暖通空调技术的节能潜力和研发机会》(2014年),美国能源部,能源效率和可再生能源办公室,建筑技术办公室:美国能源部、能源效率和再生能源办公室,美国建筑技术办公室
[24] Hill,R.,弹塑性多晶体的连续微机械,固体力学和物理杂志,13,89-101(1965)·Zbl 0127.15302号
[25] Hou,H。;芬克尔,P。;Staruch,M。;崔,J。;Takeuchi,I.,《多铁复合器件中的超低场磁弹热冷却》,《自然通信》,9,1,1-8(2018)
[26] Huang先生。;Brinson,L.C.,单晶形状记忆合金行为的多元模型,固体力学和物理杂志,46,1379-1409(1998)·兹比尔0971.74023
[27] 胡贝尔,J.E。;Fleck,N.A.,《铁电体的多轴电开关:理论与实验》,《固体力学和物理杂志》,49,785-811(2001)·Zbl 1021.74013号
[28] 胡贝尔,J.E。;弗莱克,N.A。;兰迪斯,C.M。;McMeeking,R.M.,铁电多晶体的本构模型,固体力学和物理杂志,471663-1697(1999)·Zbl 0973.74026号
[29] Hubert,O.,《磁性材料的多尺度磁弹性建模,包括各向同性二阶应力效应》,《磁性与磁性材料杂志》,491,第165564页,(2019)
[30] O.休伯特。;Daniel,L.,晶粒取向硅钢磁机械行为的多尺度建模,《磁性与磁性材料杂志》,320,7,1412-1422(2008)
[31] 江,D。;Kyriakides,S。;兰迪斯,C.M。;Kazinakis,K.,《单轴拉伸下NiTi中相变前沿传播的建模》,《欧洲机械学报-A/固体》,64,131-142(2017)
[32] 江,D。;兰迪斯,C.M。;Kyriakides,S.,拉伸/压缩不对称对NiTi管在轴向压缩下屈曲和恢复的影响,国际固体与结构杂志,100,41-53(2016)
[33] 江,D。;Xiao,Y.,超弹性NiTi形状记忆合金晶粒尺寸相关热机械响应建模,国际固体与结构杂志,210,170-182(2021)
[34] Joseph,R.I.,均匀磁化圆柱体中的弹道退磁因子,应用物理杂志,374639-4643(1966)
[35] 拉古达斯,哥伦比亚特区。;Entchev,P.B.,《相变诱导塑性建模及其对多孔形状记忆合金行为的影响》。第一部分:完全致密SMA的本构模型,材料力学,36,9,865-892(2004)
[36] 拉古达斯,哥伦比亚特区。;恩切夫,P.B。;波波夫,P。;Patoor,E。;布林森,L.C。;Gao,X.,形状记忆合金,第二部分:多晶体建模,材料力学,38,430-462(2006)
[37] 拉古达斯,D。;哈特尔,D。;Chemisky,Y。;马查多,L。;Popov,P.,多晶形状记忆合金相变数值分析的本构模型,国际塑性杂志,32,155-183(2012)
[38] Lexcellent,C.公司。;Leclercq,S。;B.加布里。;Bourbon,G.,《形状记忆合金的双向形状记忆效应:实验研究和现象学模型》,《国际塑性杂志》,16,10-11,1155-1168(2000)·Zbl 0957.74501号
[39] Li,J.Y.,磁电弹性多夹杂和非均匀性问题及其在复合材料中的应用,国际工程科学杂志,38,18,1993-2011(2000)
[40] Li,J.Y。;Dunn,M.L.,异质压电固体有效模量的变分界限,哲学杂志A,81,4,903-926(2001)
[41] 莫林,C。;穆尼,Z。;Zaki,W.,考虑热机械耦合的形状记忆合金本构模型,《国际塑性杂志》,27448-767(2011)·Zbl 1426.74082号
[42] 莫亚,X。;Kar-Narayan,S。;Mathur,N.D.,《铁相变附近的热量材料》,《自然材料》,第13、5、439-450页(2014年)
[43] Norfleet,D.M。;Sarosi,P.M。;Manchiraju,S。;瓦格纳,M.X。;尤奇奇,医学博士。;Anderson,P.M.,Ni-Ti微晶伪弹性变形期间的转变诱导塑性,材料学报,57,12,3549-3561(2009)
[44] 瓦迪,A。;O.休伯特。;Furtado,J。;D.加里。;Depeyre,S.,《压磁行为:实验观测和多尺度建模》,《机械与工业》,第20、8、810页(2019年)
[45] 帕尼科,M。;Brinson,L.C.,形状记忆合金中马氏体再取向的三维唯象模型,固体力学和物理杂志,55,11,2491-2511(2007)·兹比尔1171.74037
[46] Patoor,E。;拉古达斯,哥伦比亚特区。;恩切夫,P.B。;布林森,L.C。;Gao,X.,形状记忆合金,第一部分:单晶的一般特性和建模,材料力学,38,391-429(2006)
[47] 塞德拉克,P。;弗罗斯特,M。;贝内舍娃,B。;Zineb,T.B。;Šittner,P.,NiTi基形状记忆合金的热力学模型,包括多轴载荷下的R相和材料各向异性,国际塑性杂志,39,132-151(2012)
[48] 席特纳,P。;刘,Y。;Novák,V.,《关于NiTi形状记忆合金类Lüders变形的起源》,《固体力学与物理杂志》,53,8,1719-1746(2005)·Zbl 1120.74402号
[49] Sivachenko,A.P。;密特尤克,V.I。;卡梅内夫,V.I。;Golovchan,A.V。;瓦尔科夫,V.I。;Gribanov,I.F.,Mn0.89Cr0.11NiGe中的磁致伸缩和磁热效应,低温物理,39,12,1051-1054(2013)
[50] Srinivas,S。;Li,J.Y.,多晶多铁性复合材料的有效磁电系数,材料学报,53,15,4135-4142(2005)
[51] 苏,Y。;Weng,G.J.,铁电陶瓷的多晶滞后模型,英国皇家学会学报A,4621573-1592(2006)·Zbl 1149.74321号
[52] 苏,Y。;Weng,G.J.,铁电陶瓷自发极化的自持多晶模型,英国皇家学会学报A,4621763-1789(2006)·Zbl 1149.74334号
[53] 苏图,Y。;Omori,T。;Kainuma,R。;小野,N。;Ishida,K.,通过织构控制增强Cu-Al-Mn-Ni形状记忆合金的超弹性,冶金与材料学报A,33,A,2817-2824(2002)
[54] Taubel,A。;贝克曼,B。;Pfeuffer,L。;北卡罗来纳州福图纳托。;谢贝尔,F。;Ener,S.,总的来说定制磁热效应-d日-《金属Ni-Co-Mn-Ti-Heusler合金:一项综合实验和理论研究》,《材料学报》,201,425-434(2020)
[55] Thamburaja,P.,形状记忆合金中马氏体再取向和脱溶的本构方程,固体力学和物理杂志,53,825-856(2005)·兹比尔1120.74310
[56] Thamburaja,P。;Anand,L.,《多晶形状记忆材料:晶体结构的影响》,固体力学和物理杂志,49,709-737(2001)·Zbl 1011.74049号
[57] Thamburaja,P。;潘,H。;Chau,F.S.,初始织构多晶Ti-Ni板材中的马氏体再取向和形状记忆效应,材料学报,53,14,3821-3831(2005)
[58] 新界特朗。;张,L。;卡隆,L。;Buschow,K.H.J。;Brück,E.,通过剪裁相变产生的巨磁热效应,《应用物理快报》,96,17,第172504页,(2010年)
[59] Wan,Y。;方,D。;Hwang,K.,磁致伸缩材料的非线性本构关系,国际非线性力学杂志,38,7,1053-1065(2003)·Zbl 1348.74118号
[60] Wang,J。;穆尼,Z。;张伟。;Zaki,W.,基于Hencky应变的形状记忆合金热力耦合有限变形本构模型,国际工程科学杂志,117,51-77(2017)·Zbl 1423.74642号
[61] Wu,Y。;Ertekin,E。;Sehitoglu,H.,形状记忆合金的弹性热冷却能力——变形温度、机械循环、应力滞后和相变不均匀性的作用,材料学报,135,158-176(2017)
[62] 萧,Y。;Jiang,D.,超弹性NiTi管中转变模式的速率依赖性,《极限力学快报》,39,第100819页,(2020)
[63] 萧,Y。;Jiang,D.,循环载荷下超弹性NiTi形状记忆合金相变模式的本构模型,《国际机械科学杂志》,182,文章105743,pp.(2020)
[64] 萧,Y。;曾,P。;Lei,L.,循环变形超弹性NiTi形状记忆合金热力耦合的微观力学建模,国际塑性杂志,107,164-188(2018)
[65] Xu,H。;裴,Y。;李,F。;Fang,D.,层状磁电复合材料的多尺度和多场耦合非线性本构理论,固体力学与物理杂志,114143-157(2018)
[66] 徐,S。;黄,H.Y。;谢军。;Takekawa,S。;Xu,X。;Omori,T.,《柱状晶粒Cu71.5Al17.5Mn11形状记忆合金中覆盖宽温度范围的巨弹性热效应》,APL材料,4,10,第106106条,pp.(2016)
[67] 尹,H。;何毅。;Sun,Q.,变形频率对NiTi形状记忆合金循环相变中温度和应力振荡的影响,固体力学和物理杂志,67,100-128(2014)
[68] 尹,H。;李,M。;Sun,Q.,《周期应力下形状记忆材料循环相变中的热-机械耦合:实验和建模》,《固体力学与物理杂志》,第104199页,(2020年)
[69] Yu,C。;Kang,G。;Kan,Q.,考虑非弹性变形不同机制的NiTi形状记忆合金基于晶体塑性的本构模型,国际塑性杂志,54,132-162(2014)
[70] Yu,C。;Kang,G。;Kan,Q.,超弹性NiTi形状记忆合金单晶各向异性循环变形的微观力学本构模型,固体力学与物理杂志,82,97-136(2015)
[71] Yu,C。;Kang,G。;Kan,Q。;Zhu,Y.,超塑性NiTi形状记忆合金的速率相关循环变形:基于热力耦合和物理力学的本构模型,国际塑性杂志,72,60-90(2015)
[72] Yu,C。;Kang,G。;孙,Q。;Fang,D.,《形状记忆合金的马氏体再取向及其零/负热膨胀建模》,固体力学与物理杂志,127,295-331(2019)·兹比尔1477.74014
[73] Zaki,W。;Moumni,Z.,形状记忆合金热机械行为的三维模型,固体力学和物理杂志,55,11,2455-2490(2007)·Zbl 1171.74032号
[74] 詹Y.S。;Lin,C.H.,超磁致伸缩材料磁-热-机械耦合滞后行为的本构模型,材料力学,148,第103477页,(2020)
[75] 张,D。;李,M。;Zhou,H.,磁致伸缩材料的通用一维非线性磁弹性耦合本构模型,AIP进展,5,10,第107201页,(2015)
[76] 郑晓杰。;Liu,X.E.,Terfenol-D棒的非线性本构模型,应用物理杂志,97,5,文章053901 pp.(2005)
[77] 郑晓杰。;Sun,L.,超磁致伸缩材料的磁-热-机械耦合非线性本构模型,应用物理杂志,100,6,第063906页,(2006)
[78] 周,H。;李,M。;李,X。;Zhang,D.,Terfenol-D超磁致伸缩材料的解析和显式多场耦合非线性本构模型,智能材料与结构,25,8,文章085036 pp.(2016)
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。