地磁场中应力对磁畴组织的影响

失效分析与预防

February,2007

Vol.2,No.1

地磁场中应力对磁畴组织的影响

陈曦,任吉林,王伟兰,陈晨

2.南昌航空工业学院材料学院,南昌　330063)

[摘　要]　研究了地磁场环境中应力对铁磁性材料磁畴结构的影响规律。利用Bitter粉纹法观察了未经磁化、受力程度不

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(1.南昌航空工业学院,无损检测技术教育部重点实验室,南昌　330063;

同的无取向硅钢片和20钢试件的磁畴结构,对比分析了应力对磁畴的影响。结果表明,铁磁试件应力集中部位的磁畴结构在应力作用下发生改变。未受力或应力集中较小时,晶粒内磁畴以片状畴为主,同一晶粒内畴壁相互平行,随着应力集中程度增加,畴壁长度和间距发生改变,并且磁畴结构出现迷宫畴,应力集中程度越大,迷宫畴数量越多。同时,拉应力和压应力对磁畴结构的影响规律不同。

[关键词]　金属磁记忆;磁畴结构;Bitter粉纹法;片状畴;迷宫畴

[中图分类号]　TG115.28　　[文献标识码]　A　　　[文章编号]　167326214(2007)0120006204

EffectofStressonMagneticDomainStructureinEarthMagnetic

CHENXi,RENJi2lin,WANGWei2lan,CHENChen

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(1.KeyLaboratoryofNondestructiveTest(MinistryofEducation),NanchangInstituteofAeronauticalTechnology,Nanchang　

330063,China;2.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,NanchangInstituteofAeronauticalTechnology,Nanchang　330063,China)

Abstract:Ithasstudiedeffectsofstressonmagneticdomainstructureofthemagneticmaterialsinearthmagneticfields.Themagneticdomainsofsiliconsteelsheetand20carbonsteelsamples,whichhavesubjectedtovariousloads,havebeenobservedwiththeBittermethod,andtheeffectsofstressonmagneticdomainsofthetwosteelswereanalyzedcomparably.Theresultsshowthatthestresscausesvariationofthemagneticdomainsinthestressconcentrationareaofthesamples.Whenasamplehassubmittedtoalowloadornoload,theremainlyexistlamellardomainswhosewallsarelamellareachotherinasamecrystallinegrain.Then,withtheloadenhancing,lengthanddistanceofthedomainwallsvary,andlabyrinthdomainsappears.Further2more,numberofthelabyrinthdomainsincreasewiththeloadincreasing.Tensilestressandcompressivestresshavedifferenteffectsonthemagneticdomainstructure.

Keywords:magneticmemorytest;magneticdomainstructure;Bittermethod;labyrinthdomain;lamellardomain

1　引言

由于金属内部存在多种内耗效应(如粘弹性

内耗、位错内耗等),使金属在动态载荷消除后,仍保留了加载时在金属内部形成的应力集中区。应力集中区具有较高的应力能,根据能量最小原则,为抵消应力能,在磁机械效应的作用下引发的磁畴组织的重新趋向排列亦会保留下来,并在应

力集中区形成类似缺陷的漏磁场分布形式,即磁场的切向分量为最大值,法向分量符号改变且过零点

[1-3]

。金属磁记忆检测技术就是通过对漏磁

场法向分量的测定,检测工件应力集中区的。目前国内基于这项技术的研究主要集中在试验研究、现场应用、理论分析等方面,对金属磁记忆检测技术微观机理的试验研究尚未见专门报道。针对这一情况,本文利用粉纹法

[4]

观察地磁场

[5]

环

[收稿日期]　2006年11月10日　　[修订日期]　2006年12月11日[基金项目]　江西省教育厅资助重点科技项目(赣教技字05-312号)

[作者简介]　陈曦(1982年-),女,硕士研究生,主要从事电磁检测技术方面的研究。

第1期陈曦、任吉林、王伟兰等:地磁场中应力对磁畴组织的影响7

境中,不同应力集中程度的无取向硅钢片的磁畴

结构,研究应力对磁畴的影响规律,并在这一规律的指导下观察不同应力集中程度的20钢磁畴结构,从试验角度初步验证了金属磁记忆检测技术的微观机理。

缩。压缩后的试件侧面进行打磨、抛光后,涂上磁悬液在LEICADMIRMHC型图象分析仪下观察磁畴结构。

3　试验结果与讨论

3.1　应力对硅钢片磁畴结构的影响

2　试验方法

研究金属磁记忆检测技术微观机理的试验采

用无取向硅钢片为研究对象。对加工后的硅钢片进行去应力退火后,通过弯曲不同角度(0°、45°、

)使硅钢片产生应力,并对弯曲后90°、135°、180°的试样进行去应力退火。试样经过打磨、抛光后,

涂上磁悬液在DMIRMHC型图象分析仪下观察不同弯曲程度的硅钢片和去应力退火后的弯曲硅钢片的磁畴结构。

验证试验采用20钢。对加工后的试件去应力退火后,分别施加416MPa、493MPa、590MPa、625MPa、798MPa、902MPa的载荷对试件进行压未弯曲和弯曲角度分别为45°、90°、135°、

180°的硅钢片受拉应力作用面的变形区磁畴结构如图1所示。可以看出,试样未受力或受力较小时,磁畴结构以片状畴为主;随着弯曲程度的增加,试样磁畴结构出现迷宫畴,弯曲角度达到90°后出现大量迷宫畴,畴壁弯曲角度逐渐由以90°为主发展到存在90°的同时兼有360°等其他角度;磁畴畴壁的长短及畴壁间距也发生改变:无应力时畴壁较长,畴壁间距较宽;有应力时磁畴畴壁长度为无应力时的1/4甚至更短,畴壁间距变窄,约为无应力时的80%。应力集中程度不同时,随着应力集中程度的增加,约有50%的磁畴畴壁长

(a)Bendingangle=0°　　　　　　　　　　(b)Bendingangle=45°　　　　　　　　　　(c)Bendingangle=90°

(d)Bendingangle=135°　　　　　　　　(e)Bendingangle=180°

图1　硅钢片磁畴结构

Fig.1　Magneticdomainstructureofsiliconsteelsheet

8失效分析与预防第2卷

度增大,其垂直方向上磁畴畴壁长度减小,磁畴间距变窄并趋于均匀化,出现磁畴间距相近的迷宫畴。但是,由于手工抛光受到抛光者工作水平的影响,目前较难确定应力集中程度与磁畴畴壁长度及畴壁间距之间准确的数学关系。

为验证不同弯曲程度下硅钢片试样磁畴结构的变化主要由应力引起,对弯曲后的试样进行去应力退火,退火后选取受拉应力面为观察面制成金相试样,用粉纹法观察磁畴结构。图2为弯曲后去应力退火试样的磁畴照片,可见磁畴结构均为片状畴。弯曲前硅钢片磁畴结构为片状畴(图1a),弯曲后的硅钢片保留了一定的残余应力,在弯曲部位附近存在应力集中区,且磁畴结构以迷宫畴为主(图1b、c、d、e)。去应力退火后,硅钢片的磁畴结构全部为片状畴,这是由于弯曲产生的残余应力被消除,表明应力是引起磁畴结构变化的主要原因。

综上所述,无应力或残余应力小时磁畴结构以片状畴为主,残余应力较大或应力集中程度较大时磁畴结构以迷宫畴为主。

902MPa,当载荷达到590MPa时,试样开始出现肉

眼可见的变形。比较不同载荷作用后试样的磁畴结构,可以看出,在压应力作用下,载荷小于590MPa时,试件未发生或仅极小部分发生塑性变形,随着载荷的增大,磁畴畴壁长度减小,畴壁间距减小,磁畴结构由以片状畴为主,发展到出现分散的迷宫畴区域,相互垂直的磁畴长度相近,并形成大面积磁畴间距均匀的迷宫畴区域;载荷大于等于590MPa时,试件进入塑性变形阶段,磁畴结构由大面积均匀迷宫畴转变为小且分散的迷宫畴区域,且随着载荷增加磁畴畴壁长度及畴壁间距变化较小

[7]

。

图3　未加载试样的磁畴结构

Fig.3　Magneticdomainstructureofsamplewithoutloading

综上所述,铁磁试件受载荷作用后残余应力保留的同时磁畴组织的重新取向排列也保留下来;铁磁试件应力集中部位的磁畴结构在应力作用下会发生改变,进而影响表面磁场值,使其在应力集中部位产生规律性变化。

图2　弯曲硅钢片去应力退火后的磁畴结构Fig.2　Magneticdomainstructureofsiliconsteel

sheetafterreliefannealing

4　结论

1)地磁场环境中,载荷应力作用引起铁磁材

3.2　应力对20钢磁畴结构的影响

20钢去应力退火后的磁畴结构如图3所示。20钢是由众多晶格位向各异的晶粒所组成的多

晶体,晶粒很小,图3中在观察面内只有一部分

晶粒为易磁化方向,磁畴以片状畴为主,同晶粒内磁畴方向相同,畴壁互相平行。

20钢试样经轴向压缩后与轴向平行侧面的磁畴结构如图4所示。试样所受载荷分别为416MPa、493MPa、590MPa、625MPa、798MPa、

[6]

料磁畴结构发生改变。在应力集中程度较大的区域,迷宫畴出现,取代原有的片状畴,随着载荷增加,迷宫畴数量增多。

2)在拉应力作用下,随载荷增加,50%磁畴

畴壁长度增大、磁畴间距减小,其垂直方向上的磁畴畴壁长度则减小,并且最终形成大面积磁畴间距较均匀的迷宫畴区域。

3)在压应力作用下,当试件未进入或仅极小

第1期陈曦、任吉林、王伟兰等:地磁场中应力对磁畴组织的影响9

部分进入塑性变形阶段时,随着载荷的增加,磁畴

畴壁长度减小,磁畴间距减小,相互垂直的磁畴长度相近,并形成大面积磁畴间距均匀的迷宫畴区

域;当试件进入塑性变形阶段时,随着载荷增加,畴壁长度及间距变化较小,出现分散的小面积迷宫畴区域。

(a)Loading416MPa　　　　　　　　　(b)Loading493MPa　　　　　　　　　　　(c)Loading590MPa

(d)Loading625MPa　　　　　　　　　(e)Loading798MPa　　　　　　　　　　(f)Loading902MPa

图4　去应力退火后施加不同载荷的磁畴结构

Fig.4　Magneticdomainstructureofsampleswithdifferentloadingsafterreliefannealing

参考

版社,2000.44-78.

文献

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