基于磁各向异性特性应力测试的理论与方法研究

论文摘要

用磁性方法对铁磁性材料进行应力测试具有方便、快捷、无损、非接触等优点,近年来的发展引人注目。本文从铁磁学的基本理论出发,系统研究了与铁磁性材料应力测试相关的问题,在应力磁性测试的理论研究与方法改进方面做了大量有益的工作。主要研究内容包括:铁磁性材料磁化的机理,应力(应变)对磁化状态的影响,磁致伸缩应变的计算,以及应力对材料磁化率的影响;在此基础上推导了磁测输出信号与应力的关系,对磁性测试的方法进行了改进,研制了新型的传感器磁芯材料。本文的主要成果和创新点如下:(1)运用磁路理论和法拉第电磁感应定律,研究了应力对铁磁性材料磁特性的影响以及应力对检测线圈输出信号的影响,得到了检测线圈输出电压与试件主应力差的关系式,为基于磁各向异性特性的应力测试建立了理论基础。(2)提出了采用傅里叶变换确定传感器输出电压最大值,从而确定测点主应力差及主应力方向的方法,避免了以往磁性测试中连续旋转传感器的过程,提高了测试的效率与精度;同时研究了残余磁化和励磁频率对测试结果的影响,提高了测试的精度。(3)研究了四点弯曲试验中材料及试件表面处理状况、应力状态、环境温度、传感器和试件间距离等因素对测试信号的影响,得到了测试信号在相应条件下的变化规律。研究结果为复杂条件下的应力测试提供了理论依据。(4)以新近出现的Finemet型合金为母体,用铝替代铌研制了可用于应力磁性测试传感器的新型纳米晶磁芯材料。研究结果表明:纳米晶合金的软磁性能优于非晶态合金;铝替代部分铌后,纳米晶材料的磁导率和磁损耗均得到有效改善;退火方式对纳米晶合金磁导率有显著影响;外加磁场对磁导率的影响明显,在高磁场下出现两个驰豫峰,并且低频区域的驰豫峰所对应的频率随着磁场场强的增加向高频移动。新研制的纳米晶磁芯材料软磁性能更加优异,同时由于用便宜的铝替代昂贵的铌,价格也更加低廉。新材料的研制将为磁性应力测试传感器和设备的小型化和效率的提高提供可能。研究成果在实验室测试中得到成功应用,显示了本测试方法的有效性与可行性。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 研究目标
• 1.3 研究内容
• 1.3.1 理论研究
• 1.3.2 实践研究
• 1.4 研究思路
• 1.5 研究方法与技术路线
• 1.6 主要创新点
• 2 应力磁性测试的研究现状
• 2.1 应力无损测试的方法简介
• 2.1.1 电阻应变片法
• 2.1.2 超声波法
• 2.1.3 X 射线衍射法
• 2.1.4 中子衍射法
• 2.2 磁性测试方法的比较
• 2.2.1 巴克豪森效应法
• 2.2.2 逆磁致伸缩效应法
• 2.2.3 磁记忆法
• 2.2.4 应力致磁各向异性法
• 2.3 基于磁各向异性应力测试的相关研究
• 2.3.1 应力与磁性能关系的研究
• 2.3.2 应力测试的试验研究
• 2.4 本章小结
• 3 应力对铁磁性材料磁性能的影响
• 3.1 物质磁性的起源及磁性物质的分类
• 3.2 铁磁性理论
• 3.2.1 自发磁化理论
• 3.2.2 磁畴基本理论
• 3.3 磁晶各向异性与磁致伸缩
• 3.3.1 磁晶各向异性与磁晶各向异性能
• 3.3.2 磁致伸缩效应
• 3.3.3 稳定状态磁致伸缩的计算
• 3.3.4 应力对自发磁化强度取向的影响
• 3.3.5 铁磁晶体内的相互作用能
• 3.4 铁磁体磁化的研究
• 3.4.1 技术磁化过程
• 3.4.2 磁化过程分析
• 3.5 应力对铁磁性材料磁化的影响
• 3.5.1 应力对磁化过程的影响
• 3.5.2 畴壁移动磁化不同阶段中应力的影响
• 3.5.3 磁矩转动磁化阶段应力的影响
• 3.6 本章小结
• 4 基于磁各向异性特性应力测试的原理及方案
• 4.1 概述
• 4.2 励磁系统
• 4.3 信号检出系统
• 4.4 信号处理系统
• 4.5 传感器的设计
• 4.5.1 传感器的形状
• 4.5.2 线圈的设计
• 4.6 磁测输出信号的研究
• 4.6.1 概述
• 4.6.2 输出信号与应力的关系
• 4.7 关于退磁的讨论
• 4.7.1 退磁的必要性
• 4.7.2 退磁方法的选择
• 4.7.3 退磁频率
• 4.8 本章小结
• 5 基于磁各向异性特性应力测试的试验研究
• 5.1 磁性方法与应变片法应力测试的比较
• 5.1.1 试验方法
• 5.1.2 应力的求解
• 5.1.3 测试结果与分析
• 5.2 基于傅里叶变换对应力测试方法的改进
• 5.2.1 傅里叶变换
• 5.2.2 残余磁化的影响
• 5.2.3 励磁频率的影响
• 5.2.4 应力测试的实例
• 5.3 应力测试条件对测试灵敏度的影响
• 5.3.1 试验过程
• 5.3.2 四点弯曲试验中试件表面应力的求解
• 5.3.3 四点弯曲试验中灵敏度的测定
• 5.3.4 不同应力测试条件下的结果
• 5.4 本章小结
• 6 应力磁性测试传感器磁芯材料的研究
• 6.1 常用磁芯材料磁性能的比较
• 73.5Si_13.5B₉Cu₁Nb_3-XAl_X 磁导率的对比'>6.2 非晶态和纳米晶态Fe_73.5Si_13.5B₉Cu₁Nb_3-XAl_X磁导率的对比
• 6.2.1 实验
• 6.2.2 复数磁导率随磁场频率的变化
• 6.2.3 非晶态样品初始磁导率随Al 含量的变化
• 6.2.4 不同退火条件下样品初始磁导率随Al 含量的变化
• 6.3 贫铌型Finemet 合金的软磁性能和微结构
• 6.3.1 实验
• 6.3.2 磁导率谱及Al 替代的影响
• 6.3.3 外加磁场幅值的影响
• 6.3.4 退火条件的影响
• 6.3.5 关于涡流的讨论
• 6.3.6 关于磁损耗的讨论
• 6.4 不同铝替代量对Finemet 型合金磁导率谱的影响
• 6.4.1 实验步骤
• 6.4.2 磁导率谱对Al 含量和退火温度的依赖性
• 6.4.3 磁导率谱对外加交流场强的依赖性
• 6.5 升温退火对Finemet 型合金磁导率和微结构的影响
• 6.5.1 实验
• 6.5.2 Al 含量对复数磁导率和对弛豫频率的影响
• 6.5.3 Al 含量对微结构的影响
• 6.5.4 Al 含量与初始磁导率和弛豫频率的关系
• 6.6 本章小结
• 7 基于磁各向异性特性应力测试方法的应用
• 7.1 试件设计及试验方案
• 7.2 试件应力分布的理论解
• 7.3 试件应力测试结果与分析
• 7.3.1 测试过程
• 7.3.2 测试结果与分析
• 7.4 本章小结
• 8 主要结论
• 8.1 本文的主要结论
• 8.2 后续研究的设想
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集