（凝聚态物理专业论文）磁弹受力理论三种模型的建立与释放的初步探讨.pdf

摘要 磁弹受力理论三种模型的建立及释放的初步探讨 摘要 随着现代工业的发展，作为许多领域中保证产品质量与性能、稳定 生产工艺的重要手段，无损检测技术已经显得越来越重要了。当今世界 各发达国家都非常重视无损检测技术在国民经济各部门中的作用。无损 检测是指在不破坏材料或制品的情况下，探测被检测对象内部和表面的 各种缺陷。目前广泛应用的无损检测技术是：超声检测( u t ) ，射线照相 检测( r t ) ，磁粉检测( m t ) ，渗透检测( p t ) ，涡流检测( e t ) ，声发射检测 ( a e ) 等。无损检测技术已历经一个世纪，其重要性在全世界已得到公 认。有人说，现代工业是建立在无损检测基础上的，这句话其实并不为 过。我们很难找到其他任何一个应用学科分支，其涵盖的技术知识之渊 博、覆盖的基本研究领域之众多、所涉及的应用领域之广泛能与无损检 测相比。统计资料显示，经过无损检测后的产品增值情况大致是，机械 产品为5 ，国防、宇航、原子能产品为1 2 一1 8 ，火箭为2 0 左 右。 磁弹噪讯技术就是巴克豪森噪讯法，只要将传感器放置在被测构件 表面，就可以通过单片机存储的应力与m b n 变化的关系曲线，立即反映 出材料服役应力和疲劳情况。利用磁弹波技术，不仅可以测量材料的残 余应力和疲劳寿命，如果对其检测机制及原理做进一步的研究，它还可 以开拓许多工程在线检测方向的研究。比如，硬度、材质合格率等。巴 克豪森噪讯技术检测是近年发展起来的无损测定残余应力新型方法，具 有方便、快速、准确的特点。它可实施在线、瞬态、便携、定点、监控 检测铁磁材料内部残余应力、疲劳寿命、硬度、显微组织、表面状态， 也可对产品或设备进行整体的分析、评价，是非常有发展潜力的残余应 力动态无损检测技术。 本文通过铁磁材料弹性力学理论，引入了在低速近似下，( v c ) 的 m a x w e l l 方程式的三种表述，进而推出三种表述下，铁磁材料的电一磁与 应力关系，归纳出铁磁材料在四种m a x w e l1 形式下的力学特征，为 b a r k h a u s e nn o i s e 的无损检测技术的理论发展，提供了一定的理论基 础。本文对电一磁力的四种表述形式做了讨论，分析了四种表述的优点 北京化工人学硕：l 学位论文 与不足。在实验的环节，本文研究了磁弹释放所反映的磁特性，并运用 了m a t l a b 软件做出了仿真模拟。 关键词：无损检测，巴克豪森，铁磁材料，磁弹受力 i i 摘要 a b s t r a c t g ob yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e m i n d u s t r y , n o n d e s t r u c t i v et e s t i n gi s m o r ea n dm o r ep e r f o r m a n c ea n dt h es t a b i l i t yo fp r o c e s st e c h n i q u e n o w a d a y s ， m o s to ft h ed e v e l o p e dc o u n t r i e se m p h a s i z et h ei m p o r t a n c eo fn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n g n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g i st ot e s tv a r i o u sd e f e c t s b yn o td e s t r o y m a t e r i a l sa n dp r o d u c t s t h e r ea r es o m et e c h n i q u eo fn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g s u c ha su 互r t , m 巧p t , eza n da e s o m ep e o p l et h i n k 坊a tn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n gi st h eb a s eo fm o d e mi n d u s t r y s u c hv i e wm a yb ec o r r e c t w ec o u l d n o tf i n da n o t h e ra p p l i c a t i o np e r c e n t a g eo ft h ev a l u eo fm e c h a n i c sp r o d u c t si s 5 ，n a t i o n a ld e f e n s e ，s p a c en a v i g a t i o n ，a n da t o m i ce n e r g yp r o d u c t si sf r o m 12 t ol8 a n dm i s s i l ei s2 0 b yn o n d e s t r u c t i v et e c h n i q u e m a g n e t o e l a s t i c i t yn o i s et e c h n i q u ei sb a r k h a u s e n n o i s et e c h n i q u e i fw e p u tas e n s o ro nt h es u r f a c eo fm o d u l ew h i c hw i l lb et e s t e d w ew i l lk n o wi t s r e s i d u a ls t r e s sa n df a t i g u el i f eb ya n a l y z et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t r e s s w h i c hi sm e m o r i z e di ns i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra n dm b n q u a l i f i c a t i o nr a t e o fm a t e r i a l sa n ds oo n b a r k h a u s e nn o i s et e c h n i q u ei san e ws t y l em e t h o d w h i c hi sd e v e l o p e di nt h er e c e n ty e a r s i ti sc o n v e n i e n t f a s ta n da c c u r a c yt o i n s p e c ti n t e r n a lr e s i d u a ls t r e s s ，f a t i g u el i r e ，h a r d n e s s ，m i c r o s t r u c t u r ea n d s u r f a c ec o n d i t i o ni na no n l i n e t r a n s i e n t p o r t a b l ea n df i x e dt e s t i n ga n di sa l s o c o u l db eu s e dt oa n a l y z ea n dv a l u a t ep r o d u c t so re q u i p m e n t s i naw o r d ， b a r k h a u s e nn o i s et e c h n i q u ei san o n d e s t r u c t i v et e s t i n gt e c h n i q u et oi n s p e c t r e s i d u a ls t r e s sw h i c hi sp o t e n t i a lt ob ed e v e l o p e di nt h ef u t u r e i ng e n e r a l ，t h i sp a p e ri n d u c t st h r e es t a t e so fm a x w e l le q u a t i o ni nal o w s p e e dt h r o u g he l a s t i c i t ym e c h a n i c st h e o r yo ff e r r o m a g n e t i cm a t e r i a l sa n d d e d u c e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne l e c t r i c a l m a g n e t i cf o r c ea n ds t r e s sa n dt h e n s u m m a r i z e sm e c h a n i c sc h a r a c t e r so ff o u rm a x w e l le q u a t i o n so ff e i t o m a g n e t i cm a t e r i a l s s u c hw o r kc o u l dp r o v i d et h e o r yb a s ef o rt h et h e o r y d e v e l o p m e n to fb a r k h a u s e nn o i s et e c h n i q u e m o r e o v e r , t h i sp a p e rd i s c u s s e s f o u rs t a t e so fe l e c t r i c a l m a g n e t i cf o r c ea n da n a l y z e st h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s i nt h ee x p e r i m e n tp a r t ，t h i sp a p e rs t u d ym a g n e t i cc h a r a c t e r s i i i 北京化工大学硕上学位论文 r e f l e c t e db ym a g n e t i c - e l a s t i cr e l e a s ea n dd o e ss o m ea n a l o g u es i m u l a t i o n sb y m a t l a bs o r w a r e k e y w o r d s ：n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g ，b a r k h a u s e nn o i s e ，f e r r o m a g n e t i c m a t e r i a l ，m a g n e t i c - e l a s t i cf o r c e i v 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：血 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 日期：盟：垒：垒 日期： 竺之 垒：z 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的背景及重要意义 铁磁材料具有良好的弹性、塑性，并且具有坚硬、耐腐、实用、取之方便、价 格便宜等特点，由铁磁材料加工制造的机械构件，在使役过程中，受外力作用，热 温度变化影响等因素，在其内部产生的局部应力集中与松弛，会引起构件局部或全 部的塑性扭曲，变形，造成构件整体强度降低，特别是疲劳强度的降低，使设备运 行不安全或破损。铁磁材料作为目前乃至今后工业领域中普通材料无法替代的工业 材料，对铁磁材料及零部件内残余应力及服役内应力，疲劳及寿命监测一直是受人 们重视的监测难题。因为这些产品的工程技术指标不仅仅关系到产品的质量、寿 命、价格，有些甚至威胁到人的生命安全。例如，压力容器、核容器、锅炉等焊接 构件残余应力检测及服役应力跟踪检测，扭杆、大型构件的应力及疲劳监测。再 如，飞机螺旋机翼飞行前残余应力检测。目前，最具有应用价值的工程检测难题应 属无缝线路长钢轨热胀冷缩温度应力的在线检测。构成这些铁磁材料的产品的不安 全因素主要是来自它的硬度下降，应力突变，疲劳裂纹萌生，寿命终结。以上几个 检测难题，也是机械工业、石油化工、航空、铁路部门生产、运行急需解决的实验 力学难题【1 羽。 无损检测就是发现这类安全隐患的直接而有效的手段之一。所谓的无损检测， 就是指不损及其将来使用可靠性，对材料或制件进行宏观缺陷检测、几何特性测 量、化学成分、组织结构和力学性能的评定。无损检测的运用广泛到涉及民航、铁 道、石油、锅容管特等关系到人民的生命安全和生产安全的重要部门。无损检测技 术是在第二次世界大战后迅速发展起来的一门综合工程技术，它主要是根据物质的 各种物理特性变化，在不损伤被检物使用性能与形状的条件下可以实现百分之百检 查，从而判断被检物的质量状况。因此，它的应用已经在工业生产、物理研究和生 物工程等广大科技领域获得极大的重视和迅猛发展，已经成为控制产品质量、保证 设备安全运行等方面的极为重要的技术手段。不仅如此，它已经从单纯的检测技术 发展为无损评价技术，不仅包含了无损检查与测试，还涉及以断裂力学为基础的损 伤容限设计而对产品及设备的安全使用寿命作出评估，因此尽管无损检测技术本身 并非是一种生产技术，但其技术水平却能反映该部门、该行业、该地区甚至该国的 工业技术水平。在机械制造业以及军事工业中它已经占据了相当重要的地位，在许 多重要的大型设备安全保障体系中都发挥着重要作用。 如今，铁磁材料的残余应力及疲劳寿命的无损检测的研究越来越受到普遍的关 注。常用的无损检测技术有：射线探伤法：利用x 射线或y 射线在穿透被检物各 北京化工大学硕士学位论文 部分时强度衰减的不同，检测被检物的缺陷。若将受到不同程度吸收的射线投射到x 射线胶片上，经显影后可得到显示物体厚度变化和内部缺陷情况的照片。如用荧光 屏代替胶片，可直接观察被检物体的内部情况。超声检测法：利用物体自身或缺 陷的声学特性对超声波传播的影响，来检测物体的缺陷或某些物理特性。在超声检 测中常用的超声频率为0 5 5 兆赫( m h z ) 。最常用的超声检测是脉冲探伤。电 阻应变法：这是一种较为普遍的方法。应变片法检测应力是将由基片和电阻丝栅组 成的应变片贴在材料的表面，基于材料受力后产生的形变，由应变片的电阻丝栅随 材料的相对变化一起发生长短变化，来测量材料内部应力，是连续的测量过程。 光测法：光测法包括光弹、激光超声干涉、散斑干涉。它是利用偏振光通过具有双 折射效应的透明受力模型获得干涉条纹图，直接观察模型的全部应力分布，特别是 可以观察到应力集中的部位，并可迅速确定应力集中系数磁粉探伤法：通过磁粉 在物体缺陷附近漏磁场中的堆积来检测物体表面或近表面处的缺陷，被检测物体必 须具有铁磁性。涡流检测法：涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无 损检测方法它适用于导电材料如果我们把一块导体置于交变磁场之中，在导体中 就有感应电流存在，即产生涡流。由于导体自身各种因素( 如电导率，磁导率，形状，尺 寸和缺陷等) 的变化，会导致感应电流的变化，利用这种现象而判知导体性质，状态 的检测方法叫做涡流检测方法【7 - 1 8 j 。 铁磁材料的传统的检测方法都存在或多或少的优、缺点，在一些方面不适合进 行动态的无损检测要求，例如：射线探伤法：检测设备昂贵，需要有专门的x 射 线发生装置；x 射线穿透能力虽然强，但对于铁磁性材料其穿透深度仅达到数微米 或几十微米；测量的精度不高，尤其是对大晶粒材料的应力测定，x 射线衍射线变 得不连续时，测得的应力值将会有相当大的误差；操作复杂，对人员素质有较高的 要求：不能实现实时、在线检测；超声检测法通过测量超声波在铁磁材料中力学 性能相异方向上传播速度差异来测定应力，由于相异方向应力造成速度差且超声波 耦合的因素严重影响检测的精度，现场应用检测发展缓慢；电阻应变法：由于一 个应变片只能测量构件表面一个点在某一方向的应变，不能实现全域性的测量。另 外它是依靠材料的相对形变测量作用应力，若材料不发生形变，或找不到起始的应 变应力值，则无法测量应力，特别是残余应力。再者，贴应变片程序繁琐，测量周 期长，且成本较高，故在线及工程检测应用不广泛。目前，己有用此法制成的寿命 计，但使用范围有局限性，且不能长时间测量；光测法：应力测量周期长、检测 成本高、操作不方便等，需要制作贴片和进行表面处理、粘胶、粘接等，不是在线 应力检测发展的方向；磁粉探伤( m a g n e t i ct e s t i n g ) 其缺点为：需要对试件进 行退磁，并需对磁粉痕迹进行分析；对磁粉和悬磁液有一定的要求应变片法：是靠 贴在构件表面的电阻丝栅，随构件发生弹性形变来测量应力，若构件固定不产生应 变，则无法检测应力。目前国际上主攻研究的是磁畴法，即磁畴技术从材料检测， 2 第一章绪论 寿命预测角度，既能检测铁磁材料，机械零部件残余应力大小及分布，疲劳及寿 命，又不需要测应变，并能瞬时、定点、在线进行检测的方法，不是局限在实验室 阶段，而是应用于工程上的检测方法，用于指导现场设备的运行安全及维修。 此外，中子射线照相法、激光全息照相法、超声全息照相法、红外检测、微波检 测等无损检测新技术也得到了发展和应用。 无损检测技术属于高新科技领域的特种测试技术，当把它与断裂力学、损伤容 限设计等安全评价技术相结合时，它不但能有效地检测出危害性缺陷而且可以根据 检测评定缺陷的大小、数量、长度、密集度、缺陷所在位置及缺陷性质等因素对在 役设备继续运行的安全性、使用寿命等做出评价，因此，如果能在设备工程中广泛 推广应用无损检测技术，相信对在役设备安全运行的保障体系将做出极其有益的贡 献和获得良好的经济效益1 1 9 2 。 1 2m a g n e ticb a r k h a u s e nn ois e 技术检测法的意义 b a r k h a u s e nn o i s e 物理效应，经过数代科学家的完善，使之用于工程技术领 域，这源于美国的t i t t o 博士。而该技术的应用和解释又伴随着磁弹一一动力学理 论的建立和完善。磁弹一一动力学理论解释了磁弹噪讯为理想的弹性体和铁磁体释 放相互作用的磁弹波。该磁弹波为弹性的纵，横波，电磁横波讨论的是平面场和 漩涡场的叠加。铁磁材料在局部交变磁场作用下，受力释放的m a g n e t i cb a r k h a u s e n n o i s e ( 又记为m b n ) 脉冲满足经典的m a x w e l l 方程，弹性动力方程。它的研究工作 无论在基础理论界和应用科学界都非常有实用意义【2 2 弓o 】。m b n 技术检测法是利用磁弹 r i 技术可以检测铁磁材料的服役应力，它的检测机理是铁磁材料在受到外磁场的 匕后，内部的磁畴会发生位错，同时磁畴壁也会发生位移，而磁畴壁的运动正是 信号产生的根源。当材料内部存在残余应力时会对磁畴的旋转和位移产生附加 i 力，这时外部应力和内部的残余应力是等效的，材料的磁化曲线和释放的m b n 的大小，随应力大小、方向的不同而发生变化，故可以通过测量m b n 信号的大 来判断材料受应力的情况和估计疲劳损伤的程度【3 卜4 7 。 磁弹噪讯技术就是巴克豪森噪讯法，只要将传感器放置在被测构件表面，就可 垦过单片机存储的应力与m b n 变化的关系曲线，立即反映出材料服役应力和疲劳 己。利用磁弹波技术，不仅可以测量材料的残余应力和疲劳寿命，如果对其检测 川及原理做进一步的研究，它还可以开拓许多工程在线检测方向的研究。比如， 芝、材质合格率等。巴克豪森噪讯技术检测是近年发展起来的无损测定残余应力 兰方法，具有方便、快速、准确的特点。它可实施在线、瞬态、便携、定点、监 北京化工大学硕士学位论文 控检测铁磁材料内部残余应力、疲劳寿命、硬度、显微组织、表面状态，也可对产 品或设备进行整体的分析、评价，是非常有发展潜力的残余应力动态无损检测技术 【4 8 - 5 9 1 o 1 3m a g n e ticb a r k h a u s e nn ois e 技术的研究现状及发展 德国物理学家巴克豪森( b a r k h a u s e n ，h e i n r i c h ) 于1 9 0 7 年获得博士学位，于 1 9 11 年成为德累斯顿大学通讯工程学教授，他对物理学的主要贡献在铁的磁化方 面。在实验中，巴克豪森最先发现当铁磁材料受到逐渐增强的磁场作用时，它的磁 化强度不是平衡地而是以微小跳跃的方式增大的。此跳跃被称为m a g n e t i c b a r k h a u s e nj u m p 。发生跳跃时，有噪声伴随着出现。如果通过扩音器把它们放大， 就会听到一连串的“咔嗒”声。这就是“巴克豪森效应”。它的接收原理为法拉第 电磁感应定律，即畴壁运动时，在接受线圈中产生磁通量的变化，从而在其中产生 电压感应信号。后来，当人们认识到铁磁材料是由一系列小区域组成，而在每个小 区域内，所有的微小原子磁体都是同向排列的，巴克豪森效应才最后得到说明。研 究发现，在这每个独立的小区域，都是一个很强的磁体，但由于各个磁畴的磁性彼 此抵消，所以普通的铁显示不出磁性。但是当这些磁畴受到一个强磁场作用时，它 们会同向排列起来，于是铁便成为磁体。在同向排列的过程中，相邻的两个磁畴彼 此磨擦并发生振动，噪声就是这样产生的。只有所谓“铁磁物质”具有这种磁畴结 构；也就是说，这些物质具有形成强磁体的能力，其中以铁表现的最为显著【雏7 0 】。 在1 9 世纪3 0 年代，b o z o r t h 和d i l1i n g e r 等人开始研究巴克豪森跳跃，他们 测量出来金属和合金中巴氏跳跃的平均数目、分布和方向等，他们希望通过这些实 验数据规律找出巴克豪森跳跃与磁畴之间的关系。然而由于种种影响m b n 的因素非 常多，例如应力、位错、沉淀粒子的分布、晶粒大小、表面热处理状态等，结果科 学家们对它的研究发展缓慢。6 0 年代，c k i t t e l 和j k g a l t 等人在低频弱磁场 下，假设了畴壁运动过程中，铁磁材料具有不变的刚性模型。由于材料内部总是存 在着缺陷，因此，运动畴壁与缺陷的相互作用可等效为畴壁在抛物线势井中的运 动。而s s a y n a j a k a n g a s 等人也开始研究m b n 的幅度与晶粒度之间的关系，指出 在工业用钢中，大多数盯扎点位于晶界处，当畴壁由个盯扎点运动至另个时， 就等于畴壁越过了一个晶粒。这样的过程只要磁场增加的速率适当便可以实现。 从2 0 世纪8 0 年代开始，美国加利福尼亚大学k o n o ，m s h i b a t a 等教授在美国 国家科学基金会的资助下，开始对m a g n e t i cb a r k h a u s e nn o i s e 效应进行研究。他 们研究了m b n 效应的基本特征，提出9 0 、1 8 0 度畴壁错动是产生巴氏噪讯的唯一 4 第一章绪论 源，并试图在线对炮筒残余应力，钢丝绳的疲劳及长钢轨的热胀冷缩温度力检测， 但由于现场工作情况复杂，目前仍处于实验室理论新方法的提出及应用计算研究。 一些学者发现，通过铁磁材料磁化而产生的m b n 信号，磁信号是因磁致伸缩而产生 的磁应变，可在材料内部激起脉冲超声波，又称为磁致声发射，记为m a e ( m a g n e t o m e c h a n i c a la c o u s t i ce m i s s i o n ) 。而另一些学者则重点研究磁化场强、 磁畴运动与应力的关系，形成m b n 理论。这两个分支在理论上有相近之处，但又存 在一些分歧。8 0 年代末，b u t t l e d j 和s c r u b y c b 等人研究了在室温下，m b n 随应力变化的关系。研究了在5 0 0 摄氏度上与下，m b n 随应力变化的关系。a l p e h r 和r u b i n ，r a n o s ，c h a d w i c h 等其他一些学者也对磁弹波进行过研究。在r i k i t a k e ， k e i l i s b o r o k 和m u m i n 的论文中，磁弹波理论也曾用于解决地球物理问题。近年 来，学者们将理论用于对铁磁材料的研究，研究材料的形变、断裂、疲劳、蠕变、 马氏体相变、磁畴壁运动等，以及用于解释压力容器裂纹的动力扩展，大型输油、 输气管道中裂纹传播的工程检测中。在国内，武汉大学徐约黄教授等学者将m b n 的 幅度谱用于研究铁磁材料得出m b n 的幅度峰来自1 8 0 度畴壁的运动，而无取向试样 的幅度峰来自畴壁移动和磁化矢量的转动。北京科技大学穆向荣教授等在研究m b n 方面做过不少工作，在研究了铁素体一一马氏体双相钢和取向硅钢在磁化、受力和 应变状态下m b n 的变化特征，并取得了较好的成果。 在近年来，科学家们采用巴克豪森噪讯技术，实现了对铁磁构件在线、瞬态、 简便、非定点的检测仍旧有很多的关键技术问题没有得到妥善的解决，同时，些 重要的理论问题也仍旧不完善。例如：1 磁畴错动，畴壁位移产生巴克豪森噪讯与 应力的计算关系：由美国学者k t i i t t o 等人在国际n d t 杂志上提出：“采用强磁化 场激励构件，可以产生高的噪讯值，由此测试的噪讯与制作的标定曲线找出对应的 应力检测值的检测技术。我们认为该提法存在一定的局限性。通过多次的实验我 们可以发现，磁场条件下使磁畴磁矩将会发生起始转动，同时，铁磁材料构件在不 同的磁场下受力将会表现出不同的噪讯随应力变化的曲线关系，这就是说磁场与受 力的条件都可以使磁畴产生位错，从而释放巴克豪森噪讯。所以，倘若科学家们要 想使该技术实现在线检测并得到广泛的工程应用，就必须解决m a g n e t i cb a r k h a u s e n n o i s e 只随应力变化而变化，磁场只起磁畴磁矩“漂动作用，而磁畴只会依赖应力 作用而大量释放巴氏噪讯的问题，从而提高该技术检测的灵敏度。此外，测量铁磁 构件的m b n - 0 巴氏噪讯随应力的变化时，当构件在大应力作用下( 接近弹性限附近 的工程背景) ，需要加多大的磁场，才能够使磁畴磁矩“漂动 ，而后在应力作用 下释放大量m a g n e t i cb a r k h a u s e nn o i s e ，使m b n - o 呈现定的线性关系。同时， 当铁磁构件在小应力作用下( 沪- 5 m p a 附近的工程背景) ，又应加多大的磁场，才能 使磁畴磁矩“漂动 ，且释放出可辨认处理的m b n 随应力变化? 使磁畴磁矩“漂 动的临界场与应力的相关性如何描述? 相关的研究至今仍旧没有见到其余相关的 北京化工大学硕士学位论文 报道。2 巴氏噪讯一动力学方程的建立：在1 9 5 4 年a l p h e r ，r u b i n 等人的论文中就 提出了磁弹力学，磁热弹力学理论。1 9 9 6 年美国学者鲍亦兴院士在“变形连续介质 的电磁力 中对电磁一动力学理论的各种关系进行了描述。完成了电磁场和弹性场 相互作用的理论。但是在无传导电流，无面电流情况，即铁磁构件被局部磁化，受 力作用的巴克豪森噪讯的磁弹一动力学模型和方程的研究至今无相关报道。从理论 上讲，这是实验力学，固体力学与物理学的交叉研究课题。本项目是从分析畴壁位 移与局部磁化场的关系，磁场与噪讯的关系，磁畴受力与噪讯的关系入手，建立巴 氏噪讯一磁场一受力一疲劳的物理模型。建立各力学量与物理量之间的本构方程， 丰富畴壁位移磁化一受力理论。建立满足变形连续变形介质电磁力方程的巴克豪森 噪讯解【7 1 8 0 1 。 综上所述，巴克豪森噪讯技术无损检测铁磁构件内部应力可实现在线、快速、 简便、瞬态、非定点检测，是一项急待开发的检测技术。 本文根据铁磁材料磁弹受力理论，又通过铁磁材料弹性力学理论，引入了在低速 近似下，( v 1 8 0 0 畴所有原子磁矩都只在与畴壁 平行的原子面上改变方向，而且同一原子面的磁矩方向则相同，所以它们在畴壁法 线方向的分量为霉。而对于 方向的舟量相等。 以上所述的畴壁，其内部原子磁矩的方向改变，都是保证在畴壁内部和平面 上不出现磁荷。这样的畴壁又称为布洛赫壁。 单纯从静磁能看，白发磁化趋向于分割成为磁化方向不同的磁畴，分割愈细，静 磁能愈低。但是，形成磁畴也是要付出代价的。相邻磁畴之间，破坏了两边磁矩的 平行捧列，使交换能( 见交换作用) 增加。为减少交换能的增加，相邻磁畴之间的原子 磁矩，不是骤然转向的，而是经过一个磁矩方向逐渐变化的过渡区域。这种过渡的 区域叫做畴壁、所示。在畴壁内。原子磁矩不是平行捧列的，同时也偏离了易磁化方 向( 见磁各向异性) ，所以在过渡区域内增加了交换能和各向异性能，这就是建立畴 壁所需的畴壁能。磁畴分割得愈细，所需畴壁数目愈多，总的峙壁能愈高。由于这 个缘故，磁畴的分割并不会无限地进行下去，而是进行到再分割所增加的畴壁能超 过静磁能的减少时为止。此时体系的总自由能最低。一般地说，太块铁磁物体分成 磁畴的原因是短程强交换作用和长程静磁相互作用共同作用的结果。根据相邻磁畴 磁化方向的不同，可把畴壁区分为1 8 0 。壁和9 0 。壁。畴壁具有一定的厚度，如铁晶 体的酶壁约含1 0 0 0 个原子层。畴壁厚度取决于交换能和各向异性能的比值，某些稀 土金属间化合物在低温下可形成一至几个原子层的窄畴壁。 北京化工大学硕j ：学位论文 2 3 铁磁体的基本特点 2 3 1 自发磁化 从微观的尺度来说，物质由原子组成，原子又是由原子核和围绕原子核运动的 电子组成。正象电流能够产生磁场一样，原子内部的电子运动也要产生磁矩。如果 原子内部，不同电子产生的磁矩叠加起来，不等于零，则该原子便具有磁矩i l ( 忽略 原子核的矩) 。如果原子内部，不同点资产生的磁矩叠加起来，等于零，则该原子便 没有磁矩的方向仍是紊乱的化，这种物质的任一小区域内还是不会具有磁矩的，这 就是顺磁性的图像。只有原子的磁矩既不为零，又能在任一小区域才具有磁矩。由 物质内部自身的力量，使任一小区域内的所有原子磁矩，都按一定的规则排列起来 的现象，称为自发磁化。 设箭头表示原子磁矩的方向，其长度代表原子磁矩的数量。那么在某一个小区 域内，由于物质内部自身的力量，使所有原子磁矩都朝一个方向排列的现象，便称 为铁磁性。( 图2 - 5 ) 如果相邻原子磁矩的数值相等，排列的方向又相反，则原子间 的磁矩完全抵消，这种现象便称为反铁磁性( 图) 由此可见，铁磁性物质，亚铁磁 性物质和反铁磁性物质内，都存在着自发磁化，只不过相邻原子的磁矩，排列方式 不同罢了。 图2 - 5 顺磁性；铁磁性：反铁磁性；亚铁磁性 f i g u r e 2 5p a r a m a g n e t i s m ：f e r r o m a g n e t i s m ：a n t i m a g n e t i s m ：m e t a m a g n e t i s m 第二章磁弹噪讯的基础理论 2 3 2 磁晶各向异性 磁各向异性m a g n e t i ca n i s o t r o p y ：物质的磁性随方向而变的现象。主要表 现为弱磁体的磁化率及铁磁体的磁化曲线随磁化方向而变。铁磁体的磁各向异性 尤为突出，是铁磁体的基本磁性之一。磁各向异性来源于磁晶体的各向异性。温 度低于居里温度( 见铁磁性) 的铁磁体受外磁场作用时，单位体积物质达到磁饱 和所需的能量称为磁晶能，由于晶体的各向异性，沿不同方向磁化所需的磁晶能 不同。对每种铁磁体都存在一个所需磁晶能最小和最大的方向，前者称易磁化方 向，后者称难磁化方向。铁磁体受外力作用时，由于磁弹性效应( 见磁致伸 缩) ，体内应力和应变的各向异性会导致磁各向异性。在外磁场或应力作用下的 铁磁体进行冷、热加工处理时，均可产生感生磁各向异性。铁磁薄膜材料在一定 外界条件影响下进行晶体生长时，也会引入生长磁各向异性。 嚣( ，柏) 图2 - 6 铁的单晶体在不同主晶轴上的磁化曲线 f i g u r e 2 - 6m a g n e t i z a t i o nc u r v eo ff em o n o c r y s t a l l i n ei nm a i nc r y s t a la x i s a 自旋对模型： 磁晶各向异性是磁性材料的内能随磁化强度方向的变化而发生的变化。当自发磁 化强度从一个方向转向另一个方向。相邻自旋保持平行，这是因为自旋间存在强的 交换作用，自旋s ，和s ，间的交换作用为 w l l = - 2 j s i s = - 2 j s lc o s a 其中，为s 自旋的大小，而q 是s ，和s ，间的夹角。右图自旋从a 旋转到b 所有 自旋保持平行，因而q = o ，交换能没有改变。故交换能是各向同性。要解释磁晶各向 北京化工大学硕上学位论文 异性，必须考虑