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铁磁材料本构关系的理论和实验研究

冯雪  
【摘要】:铁磁材料在现代科学技术中得到广泛的应用,随着材料科学的发展,它已成为一种重要的智能材料。本文系统的研究了铁磁材料的力磁耦合行为,分别提出了细观和宏观本构模型。主要进行了以下方面的工作: 1.从细观力学的基本问题入手,分别用Green函数方法和等效夹杂方法推导了铁磁夹杂的基本解,并证明这两种方法是一致的。基于能量等效框架,得到一般压磁材料有效磁弹模量通解。通过双夹杂方法将超磁致伸缩复合材料中的力磁场解耦,成功预测了超磁致伸缩复合材料的等效弹性模量和等效饱和磁致伸缩,与现有其他模型比较最接近实验值。 2.自行设计和搭建了力磁耦合测量设备,并编写软件实现测量过程自动化。分别对金属软磁材料—Ni6和电解镍,超磁致伸缩材料—Terfenol-D,以及铁磁相变材料—NiMnGa单晶,进行了全面的力磁耦合实验,得到不同应力状态下磁滞回线,磁致伸缩曲线,不同磁场强度下应力应变曲线等特征曲线。利用磁畴理论,解释了实验现象。 3.基于磁畴理论,根据超磁致伸缩材料Terfenol-D的实验现象和磁畴旋转模型,发展了磁畴翻转模型。以Gibbs自由能作为磁畴翻转的判据。通过引入取向分布函数,可得到系统的宏观本构关系。 4.宏观上,铁磁材料的响应与加载历史相关,存在能量耗散,与经典塑性理论类比,基于热力学框架,发展了两类唯象本构模型:(1)类比于J2流动理论,将剩余应变和剩余磁化强度作为内变量,引入力磁耦合屈服面,推导出基于流动理论的唯象本构;(2)根据Karafillis-Boyce的多晶各向异性塑性理论,提出具有一般意义的非二次方的力磁耦合屈服面,使之适合于各向异性材料。其中,各向异性包括磁各向异性和弹塑性各向异性。利用特殊的线性变换,将各向异性等价为各向同性处理,从而使该模型可以统一处理各向同性材料和各向异性材料。通过实验测量出Terfenol-D的力磁耦合屈服面,由Helmholtz自由能函数给出演化方程,从而构成完整的三维本构模型。理论计算结果很好的符合实验数据。


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