鐵磁材料疲勞過程中的磁效應(yīng)研究.pdf

1、疲勞破壞是工程中常見的材料失效方式,材料的疲勞損傷評(píng)估研究具有重要意義。金屬磁記憶技術(shù)在鐵磁材料的疲勞損傷評(píng)估上極具潛力,但由于缺乏足夠的理論支撐,定量評(píng)估困難,影響該技術(shù)的應(yīng)用。因此,研究疲勞過程中的磁記憶產(chǎn)生機(jī)制研究是推進(jìn)該技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵任務(wù)。
　　磁記憶現(xiàn)象是材料在地磁場、應(yīng)力和材料微觀結(jié)構(gòu)等共同作用下產(chǎn)生的磁性能改變在材料表面的體現(xiàn),力-磁效應(yīng)、位錯(cuò)磁化效應(yīng)和漏磁效應(yīng)是與疲勞過程中與磁記憶現(xiàn)象相關(guān)的主要的三種磁效應(yīng)。本文針

2、對這三種效應(yīng),設(shè)計(jì)一系列疲勞試驗(yàn),以理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方式研究疲勞過程中磁記憶現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制和變化規(guī)律。
　　考慮恒定磁場和循環(huán)應(yīng)力的共同作用,建立了適合描述疲勞過程中材料磁化特性的力-磁效應(yīng)模型。首先,分析了循環(huán)應(yīng)力下的磁化特性,構(gòu)造了磁化穩(wěn)定狀態(tài) M0;然后,借鑒 J-A理論的思想,構(gòu)造了適合描述疲勞過程中材料磁化特性的J-A-F模型。結(jié)果表明,在地磁場和循環(huán)應(yīng)力的作用下,材料磁化逐漸到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài) M0,與試驗(yàn)結(jié)果符合;M0在

3、一個(gè)載荷循環(huán)內(nèi)沿一個(gè)環(huán)線變化,并且曲線形狀隨應(yīng)力范圍、外加磁場強(qiáng)度、釘扎參數(shù) k1的變化呈規(guī)律性變化;J-A-F模型比原模型更能描述拉、壓應(yīng)力產(chǎn)生的不同磁化特征,能更合理地解釋實(shí)驗(yàn)中觀察到的磁化強(qiáng)度隨應(yīng)力變化的速率改變符號(hào)的現(xiàn)象;J-A-F模型可以通過釘扎參數(shù)k1的變化來描述疲勞過程中的磁化改變。
　　考慮疲勞損傷過程中位錯(cuò)對疇壁運(yùn)動(dòng)的影響,建立了M0與位錯(cuò)之間的關(guān)系,用M0描述位錯(cuò)對磁化的影響。首先,對不同疲勞階段的塑性變形、位

4、錯(cuò)、磁記憶信號(hào)變化進(jìn)行同步實(shí)驗(yàn)研究,并分析三者的關(guān)系。然后,考慮局部平衡狀態(tài) M0受位錯(cuò)密度、位錯(cuò)結(jié)構(gòu)和塑性應(yīng)變的影響來表征位錯(cuò)磁化效應(yīng)。結(jié)果表明,高應(yīng)力疲勞過程分為快速塑性變形、平穩(wěn)塑性變形和快速斷裂3個(gè)階段;在第一階段位錯(cuò)密度和結(jié)構(gòu)同時(shí)變化,使得磁記憶信號(hào)快速變化,在第二階段只有位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的變化,磁記憶信號(hào)緩慢變化。位錯(cuò)密度及位錯(cuò)平均位移影響應(yīng)力范圍、釘扎參數(shù) k1;隨損傷發(fā)展而變大,使得磁記憶信號(hào)增加。因?yàn)槲诲e(cuò)變化在宏觀上表現(xiàn)為塑性

5、變形,位錯(cuò)對磁化的作用可用塑性應(yīng)變表示。
　　因?yàn)榇庞洃洭F(xiàn)象是材料損傷造成的磁性能改變的外在反映,建立了損傷區(qū)域的漏磁模型,描述磁記憶信號(hào)變化。首先,從磁荷觀點(diǎn)分析磁記憶信號(hào)的產(chǎn)生和組成;然后,考慮疲勞過程中材料損傷集中在一個(gè)區(qū)域、裂紋在這個(gè)區(qū)域萌生并發(fā)展,建立漏磁模型;接著,通過磁荷密度表達(dá)式把 M0和漏磁場聯(lián)系起來。結(jié)果表明,磁記憶信號(hào)的變化由損傷區(qū)的漏磁場變化引起;損傷區(qū)漏磁場切向分量分布呈小山峰形狀、法向分量分布呈斜坡狀,

6、切向信號(hào)數(shù)值及法向信號(hào)分布梯度隨損傷發(fā)展而變大,裂紋產(chǎn)生使得裂紋位置的磁場波動(dòng)。損傷區(qū)的磁荷密度與M0變化趨勢相同,所以M0能用于表征裂紋出現(xiàn)前的磁記憶信號(hào)變化;裂紋的磁荷密度比損傷區(qū)的大很多,使得裂紋產(chǎn)生的漏磁信息能在總漏磁場上反映出來,所以疲勞后期磁記憶信號(hào)突變。對比疲勞過程中的塑性應(yīng)變、硬度與磁記憶信號(hào)的變化特點(diǎn),得出磁記憶信號(hào)比塑性應(yīng)變、硬度對材料損傷敏感,磁記憶信號(hào)更適合用于疲勞損傷檢測。
　　結(jié)合三種磁效應(yīng),建立了材料