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多因素作用下铁磁性材料的磁滞和磁巴克豪森噪声数值仿真与实验研究

王志  
【摘要】:铁磁性材料应用广泛,是最重要的结构和功能材料之一。铁磁性材料性能通常由元素构成、微观结构形式与性质以及应力状态等多因素决定。近年来,通过测量材料的磁特性对组分占比、应力和力学性能进行无损评价的研究逐渐成为热点。例如,磁滞回线和磁巴克豪森噪声(magnetic Barkhausen noise,MBN)的某些特征参数对微观结构和应力变化均敏感。磁特性磁滞回线和磁巴克豪森噪声同时受材料多种属性因素的影响,进行材料性能的磁评价时,往往难以分离各因素的影响权重。因此,急需发展模型或实验方法,研究清楚多因素共同作用下材料磁滞回线和磁巴克豪森噪声的变化规律,为材料性能磁评价技术的开发奠定基础。本论文扩展了Ising模型,数值模拟得到了多因素作用下的磁滞回线和磁巴克豪森噪声信号,结合实验论证了数值计算模型的有效性,分析讨论了多因素对特征磁参量的影响规律及权重。具体工作内容包括:(1)考虑多因素作用的磁滞与MBN信号数值仿真Ising扩展模型的构建方法。在经典Ising模型中扩展了自旋状态的取值范围,定义钉扎位置处的自旋取值为0,并建立钉扎数目与模拟碳质量分数间的关系,提出了考虑碳质量分数的Ising扩展模型;针对双层铁磁性材料,在Ising模型中引入双玻尔兹曼函数替换经典Ising模型中的自旋相互作用系数,建立了适用于双层材料的Ising扩展模型;针对双相铁磁性材料,通过对自旋平面进行网格划分并赋值两单一磁相自旋相互作用系数的方式,建立了适用于双相材料的Ising扩展模型。在上述模型基础上,将等效自旋相互作用系数描述为应力的多项式,由此建立了考虑应力作用的Ising扩展模型。(2)多因素作用下的磁滞与MBN信号模型预测结果的实验验证和测试分析。制备了一系列专用实验试件,包括由45钢薄板与65Mn钢厚板层叠形成的双层材料,和通过调整热处理温度进行调质得到的具有不同组分占比的铁素体-回火马氏体双相钢,以及不同碳质量分数的碳钢试件。构建了适用于单向拉伸状态下试件总磁滞及MBN信号的同步检测实验系统,细致研究了碳质量分数、层厚变化、组分占比、应力等多因素对磁参量的影响规律,验证了扩展Ising模型预测结果的准确性。(3)碳质量分数与应力共同作用下磁滞与MBN信号的数值仿真与实验测试。同时考虑碳质量分数和应力作用,利用扩展的Ising模型,数值仿真分析了碳质量分数与应力共同作用对磁滞及MBN信号的影响规律。对碳质量分数不同的碳钢试件进行单向拉伸,开展了磁滞及MBN信号的同步检测实验。对于MBN信号而言,数值仿真与实验测试结果均显示其包络峰值随应力增加呈线性增长规律;对于磁滞回线而言,数值仿真结果表明矫顽力随应力增加线性下降,但实验中受微观结构、残余应力等多种因素影响,在不同碳质量分数试件中获得的矫顽力与工作应力的变化规律并不一致。(4)双相材料在应力作用下磁滞及MBN信号的数值仿真与实验测试。结合双相材料的Ising扩展模型与考虑应力作用的Ising扩展模型,模拟得到了组分占比与应力两因素共同作用下的磁滞及MBN信号。为进行实验验证,对具有不同组分占比的铁素体-回火马氏体双相钢试件进行单向拉伸并同步进行磁滞及MBN信号测试。研究了应力和铁素体占比分别对磁参量的影响权重。结果表明:铁素体占比小于12%前,铁素体占比对MBN信号峰值的影响权重更高,而在铁素体占比大于12%后,铁素体占比和应力对MBN信号峰值的影响权重相当;铁素体占比对磁滞回线特征参量(矫顽力与饱和磁感应强度)的影响权重均高于应力。


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