微磁检测应力和塑性区的磁弹塑耦合理论

金属磁记忆微磁检测方法, 利用铁磁材料局部磁性状态的变化, 进行应力集中或塑性区域位置及程度的检测与评价. 面向微磁信号的定量理论分析可对其工程领域应用提供重要指导. 本文介绍铁磁材料微弱环境磁场下的磁弹塑性本构进展, 及其在微磁信号分析方面的应用. 力磁本构关系方面, 针对微磁检测弱磁化条件, 基于有效场理论构建了受弹塑性载荷铁磁材料的理想磁化本构的显式解析式, 并结合接近原理分析了恒定外加微弱磁场下应力-应变对材料磁化强度的影响. 检测信号分析方面, 基于弹性力学理论、静磁学理论和新建立的磁弹塑性本构关系, 建立并求解了微弱磁场下铁磁试件中弹性应力或塑性区诱导的表面磁信号的二维分析模型. 结合实验结果证实其在刻画弹塑性因素对微磁信号影响规律方面的能力, 并详细分析了微磁信号的特征量与局部弹性应力或塑性区的尺寸间的相关关系. 相比已有力磁本构关系, 本文建立的显式解析形式的理想磁化更加简洁, 有助于提升对力磁耦合效应的定量化理解和应用.      

基于唯象相变理论的磁致伸缩材料耦合滞回动力学模拟

本文基于改进的Landau唯象相变理论,构造一个耦合的非线性常微分方程模型来模拟一维磁致伸缩材料的磁滞动态特性。模型的构造通过引入一个非凸的自由能函数来模拟磁致伸缩磁材料中不可逆的磁极化翻转与磁致应变,该自由能函数的每一个局部极小值都对应材料的一个磁化方向。通过热力学平衡条件建立能刻画磁致伸缩效应的非线性本构关系。所构造的模型成功地模拟出了磁场与弹性场之间的磁滞曲线和蝶形曲线,并采用实验结果对模型进行了验证。     

铁磁矩形简支板的磁弹塑性弯曲行为分析

基于广义变分原理得到的磁力计算公式,采用塑性增量理论,Mises屈服准则和有效的增量有限元计算方法,研究了线性强化材料铁磁矩形板的磁弹塑性弯曲行为。在文中定量模拟了铁磁简支矩形板在外加磁场作用下的挠度特征曲线,铁磁板发生塑性变形时的构型图和不同外加磁场下的中截面构型,以及铁磁板在卸载后的残余挠度特征曲线等力学特征,分析了塑性区域随磁场增加而扩展的情况。数值结果表明:当铁磁矩形板上的部分区域发生塑性屈服后,其变形明显大于相同磁场条件下铁磁板发生的弹性变形值;且随着外加磁场倾角的增大(0°<α≤45°),铁磁板进入塑性屈服状态的临界屈服磁场值减小;铁磁板的中截面构形为双半波型,其塑性区域由铁磁板两侧挠度最大的区域向板的中心区域扩展,板的中心最后进入塑性区域等。     

铁磁形状记忆合金双轴向力-磁耦合实验研究

对磁场和应力场共同作用下的单晶铁磁形状记忆合金的力学特性进行了实验测试与分析,分别获得了单晶Ni\-2MnGa试样在不同的压应力时、两个不同角度的磁场作用下的磁场-应变曲线。结果表明,当磁场垂直于应力时,磁场方向的磁致应变要远小于应力方向的磁致应变;当磁场平行于应力时,磁场方向的磁致应变要小于垂直于磁场方向的磁致应变,其磁致应变滞后环的面积远小于磁场垂直于应力时的滞后环面积。这为铁磁形状记忆合金在工程中的应用提供一定的指导作用。     

磁记忆检测中的力-磁关系及其实验观察

从微磁化基本理论出发,依据能量原理,建立了铁磁材料的能量状态方程;采用最小能量原理和拉格朗日乘数法得出了在外力作用下铁磁体内应力与磁化率改变量之间的线性关系式.进一步讨论了在应力方向改变时应力与相应方向磁化率改变量间的对应关系,证明在不同方向上二者之间的线性关系依然成立.根据变压器原理,设计出铁磁材料磁化率检测装置,以45#钢试件为例,测量了不同方向上应力与磁化率变化量间的对应关系,并与理论值做了比较.实验结果表明文中得出的应力-磁化率变化量表达式与实验测定结果符合得较好.以上工作为明确磁记忆检测技术的检测对象和机理,建立磁记忆检测技术的力-磁本构关系在一个新的视角上做了有意义的探索.     

带铁磁薄膜悬臂板的磁场微感应器磁弹性特征研究

对于在可变形非磁材料悬臂梁式板单表面粘贴可磁化材料薄膜所构成的磁场微传感器件结构,研究了其处在磁场环境中的磁弹性弯曲变形的磁场-力学特征。为此,建立了由有限元方法分析磁场与有限差分法计算挠曲变形相结合来计算其结构在磁场中产生磁弹性变形的定量分析程序。在此基础上,对于这一微传感结构的算例给出了其结构变形随外加磁场环境变化的磁场-挠度特征关系等定量结果。结果表明：微传感器件不仅可以测量出磁场的大小,而且给出了测量磁场矢量方向的可能性。     

铁磁导电梁式板在横向均匀磁场中的动力特性分析

对横向磁场中自由振动的导电铁磁梁式板,给出了考虑其磁化和涡电流与力学效应耦合影响的定解问题的基本方程.在对不同支承情况下板的振动频率和临界磁场值进行定量分析的基础上,讨论了电导率、磁化率和板厚等参数以及支承条件对板结构的振动频率与磁弹性临界磁场的影响.     

铁磁导电梁式析在横向均匀磁场中的动力特性分析

对横向磁场中自由振动的导电铁磁梁式板,给出了考虑其磁化和涡电流与力学效应耦合影响的定解问题的基本方程。在对不同支承情况下板的振动频率和临界磁场值进行定量分析的基础上,讨论了电导率、磁化率和板厚等参数以及支承条件对板结构的振动频率与磁弹性临界磁场的影响。     

铁磁纳米结构磁化状态及其磁-力耦合效应的相场模拟

基于随时间变化的Ginzburg-Landau(TDGL)方程,建立了模拟铁磁材料磁-力耦合效应的相场模型。从弱解形式出发,推导出了相关控制方程的有限元格式,然后编制程序进行数值求解。由于有限元对复杂边界有良好的适用性,该模型可用于不同形状铁磁材料的畴结构模拟。通过相场模拟,发现铁磁纳米结构中的磁化会形成涡旋结构,与实验观察到的磁化涡旋结构符合较好。由非均匀磁化引起的结构的变形、应力等力学参量都可以通过模拟一并得到。本文结果表明,改变结构形状可以有效控制磁畴结构的形态,适当的外应力可以改变磁畴结构及其对外磁性的大小。     

调幅切向磁场对低碳钢残余塑性应变的检测灵敏度矩阵分析方法

针对低碳钢的残余塑性应变定量评估问题,提出了一种基于调幅切向磁场测量的无损检测新方法:采用U型电磁铁提供调幅磁场对低碳钢试件进行磁化,单一霍尔元件检测表面切向磁场,其输出电压随线性调幅激励电压变化而形成的蝶形轨迹可用于残余塑性应变表征。研究发现在蝶形轨迹的大部分区域,霍尔元件输出电压与低碳钢中静态拉伸形成的残余塑性应变的平方根间存在良好的线性关系。为实现残余塑性变形的最佳灵敏度表征,将蝶形轨迹进行矩阵化并计算得到检测灵敏度矩阵,分析了不同励磁条件下霍尔元件输出电压对残余塑性应变平方根的灵敏度,结果显示:在弱磁化条件(励磁周期的峰值电压与线性调幅电压最大峰值的百分比为15%)下,霍尔元件输出电压对残余塑性应变平方根的检测灵敏度最高。新方法实施简便,结合检测灵敏矩阵,可对励磁条件和敏感区域进行优化选取,有望推广运用于其他力学性能指标的高灵敏度无损检测。     

Influence of uniaxial plastic deformation on surface magnetic field in steel

Under geomagnetic field, surface magnetization measurements were made on 1045 and a3 steels samples uniaxially deformed to differing magnitudes of plastic strain, to study the dependence of surface magnetic field and its distribution on plastic deformation. The results indicated initial increase in surface magnetic field with increasing plastic strain followed by a decrease at higher plastic deformation. At still higher plastic deformation, the surface magnetic field was found to be almost independent of plastic strain. In the middle part of the sample, the uneven plastic deformation interrupted the linear distribution of surface magnetic field. The behavior of surface magnetic field and its distribution with plastic deformation were largely controlled by the different mechanisms of interaction of domain walls with isolated dislocation, dislocation tangles and dislocation cellular structures.     

铁磁材料不同应变状态下的磁特性实验研究

通过实验测量了一种铁磁材料—中碳钢在不同应变状态下的磁滞回线．由此得出矫顽力-应变和剩磁-应变的关系曲线,研究了磁场和应力场对钢铁材料的耦合作用,并对现象作了初步的解释．     

A real-space phase field model for the domain evolution of ferromagnetic materials

A real-space phase field model based on the time-dependent Ginzburg–Landau (TDGL) equation is developed to predict the domain evolution of ferromagnetic materials. The phase field model stems from a thermodynamic theory of ferromagnetic materials which employs the strain and magnetization as independent variables. The phase field equations are shown to reduce to the common micromagnetic model when the magnetostriction is absent and the magnitude of magnetization is constant. The strain and magnetization in the equilibrium state are obtained simultaneously by solving the phase field equations via a nonlinear finite element method. The finite-element based phase field model is applicable for the domain evolution of ferromagnetic materials with arbitrary geometries and boundary conditions. The evolution of magnetization domains in ferromagnetic thin film subjected to external stresses and magnetic fields are simulated and the magnetoelastic coupling behavior is investigated. Phase field simulations show that the magnetization vectors form a single magnetic vortex in ferromagnetic disks and rings. The configuration and size of the simulated magnetization vortex are in agreement with the experimental observation, suggesting that the phase field model is a powerful tool for the domain evolution of ferromagnetic materials.     

定向凝固多晶铁磁形状记忆合金力-温度耦合的实验研究

铁磁形状记忆合金兼具大输出应变与高响应频率等综合特性,是新一代驱动与传感材料。采用定向凝固技术制成的多晶铁磁形状记忆合金具有较多优越的力学性能。本文对温度和应力耦合作用下的定向凝固多晶铁磁形状记忆合金的力学特性进行了实验测试,分别获得了定向凝固多晶Ni-Mn-Ga试样在不同恒定温度时的应力-应变循环曲线,以及试样在压缩时两个互相垂直方向的数字散斑图。结果表明:同一恒定温度时,随着应力循环次数的增加,其应变值逐渐减小;同一压缩应力时,不同温度作用过程中定向凝固方向的应力,随着温度的升高逐渐减小。本文结果可为铁磁形状记忆合金在工程中的应用提供一定的指导作用。     

Magnetoelastic fracture of soft ferromagnetic materials

Effects of magnetic field on fracture toughness of soft ferromagnetic materials were studied using experimental techniques and theoretical models. The manganese–zinc ferrite with a single-edge-notch-beam (SENB) were chosen to be the specimen and the Vickers’ indentation specimen subjected to a magnetic field were chosen to be the specimens. Results indicate that there is no significant variations of the measured fracture toughness of the manganese–zinc ferrite ceramic in the presence of the magnetic field. The theoretical model involves an anti-plane shear crack with finite length in an infinite magnetostrictive body where an in-plane magnetic field prevails at infinity. Magnetoelasticity is used. The crack-tip elastic field is different from that of the classical mode III fracture problem. Furthermore, the magnetoelastic fracture of the soft ferromagnetic material was studied by solving the stress field for a soft ferromagnetic plane with a center-through elliptical crack. The stress field at the tip of a slender elliptical crack is obtained for which only external magnetic field normal to the major axis of the ellipse is applied at infinity. The results indicate that the near field stresses are governed by the magnetostriction and permeability of the soft ferromagnetic material. The induction magnetostrictive modulus is a key parameter for finding whether magnetostriction or magnetic-force-induced deformation is dominant near the front an elliptically-shaped crack. The influence of the magnetic field on the apparent toughness of a soft ferromagnetic material with a crack-like flaw can be regarded approximately in two ways: one possesses a large induction magnetostrictive modulus and the other has a small modulus. Finally, a small-scale magnetic-yielding model was developed on the basis of linear magnetization to interpret the experimental results related to the fracture of the manganese–zinc ferrite ceramics under magnetic field. Studied also is the fracture test of the soft ferromagnetic steel with compact tension specimens published in the existing literature.     

地磁环境下结构变形引起的扰动磁场

基于磁弹性相互作用的线性化理论，针对地磁环境特点，忽略磁场对结构位移的影 响而仅考虑位移对磁场的耦合作用，通过将位移梯度引入变形后界面外法线矢量方 法，给出了变形引起的扰动磁场计算的定解场方程和界面衔接条件，并计算了符拉 芒问题的变形扰动磁场. 结果表明，变形扰动磁场完全取决于位移梯度在界面外法 向上的投影；扰动场强与外力成正比；空气中扰动磁场的法向强度和切向强度分布 特征明显不同，法向强度在力作用点对称分布，并且在 力作用点处存在奇点；切向强度则呈反对称分布，在力作用点处发生突变.     

软铁磁薄板磁弹性屈曲的理论模型

铁磁弹性薄板的磁弹性屈曲问题一直作为电磁——弹性力学相互作用的一个基本模型进行研究，而作用在其磁介质上的磁力计算则是定量理论预测准确与否的关键．到目前为止，文献上已有的理论模型对悬臂铁磁梁式悬臂板在横向磁场中磁弹性屈曲的理论预测值始终高于实验值，有的甚至相差１００％左右．本文基于电磁力计算的微观安培电流模型，严格给出了软铁磁薄板等效横向磁力的宏观计算表达式．在此基础上，建立了电磁——力学相互耦合作用的非线性理论模型．该模型能描述铁磁薄板结构在非均匀横向磁场环境中的磁弹性失稳（或屈曲）．其定量分析采用了有限元法和有限差分法相结合．数值结果显示：本模型给出的磁弹性屈曲的临界磁场值与实验值符合良好．与此同时，文中还对文献中认为较成功的Ｍｏｏｎ－Ｐａｏ模型的基本假设进行了分析．定量结果发现：Ｍｏｏｎ－Ｐａｏ理论模型的基本假设仅在梁式板的长厚比Ｌ／ｈ比较大时（约在２００左右），是可以接受的，而当Ｌ／ｈ较小时，该假设将导致理论值与实验值的较大误差．Ｌ／ｈ比值越小，理论值与实验值的误差越大