磁致伸缩材料应力感知机理研究

磁致伸缩材料应力感知机理研究

磁体扩张材料在磁体作用下具有强大的磁体扩张效应，即它可以改变磁体的大小和体积。因此,它们可以作为智能驱动材料,同时也可以作为应力或应变传感器材料。近年来开发的稀土超磁致伸缩传感器材料[如Terfenol-D(Tb0.27Dy0.73Fe2)]的磁致伸缩效应比一般的磁致伸缩合金高一个数量级,比电致伸缩材料具有更大的应变和更宽的适用温度范围。此材料用于微步进旋转马达能精确的微移动,且关闭电源时有制动能力,在机器人上也有重要应用。本文简介了磁致伸缩材料的伸缩效应及产生机理,磁测应力原理,磁致伸缩效应在检测钢管隔热层下腐蚀缺陷中的应用,并推导了磁场-伸缩-力耦合传感方程,试图从这些方面揭示磁致伸缩材料的应力感知机理,为其在土木工程中应用提供理论依据。1磁扩胀效应及其产生的机制1.1磁致撕裂的产生机理在磁场中磁化状态改变时,铁磁和亚铁磁材料引起尺寸或体积微小的变化,称为磁致伸缩效应。磁致伸缩有两种表现形式:1)线磁致伸缩。当磁体磁化时,伴有晶格的自发变形,即沿磁化方向伸长或缩短,称为线磁致伸缩。应变的数量级为10-6～10-5。当磁体发生线致伸缩时,体积几乎不变,而只改变磁体外形。在磁化未达到饱和状态时,主要是磁体长度变化产生线磁致伸缩。线磁致伸缩分为两种:纵向和横向磁致伸缩。沿着外磁场方向尺寸大小的相对变化,称为纵向磁致伸缩;垂直于外磁场方向尺寸大小的相对变化,称为横向磁致伸缩。线性磁致伸缩现象由著名物理学家焦耳(Joule)于1842年首先发现,所以又称为焦耳效应。线性磁致伸缩系数λ可由下式表示:λ=Δll,式中,Δl为材料长度变化量;l是材料的长度。λ的符号为正,表明随着磁场的增强,材料的长度变化是伸长的,称为正磁致伸缩;反之,λ的符号为负,表明随着磁场的增强,材料的变化是缩短的,称为负磁致伸缩。2)体积磁致伸缩。这是指磁体磁化状态改变时体积发生膨胀或收缩的现象。饱和磁化以后主要是体积变化产生体积磁致伸缩。在一般磁体中体积磁致伸缩很小,实际应用也很少;在测量和研究中很少考虑,所以一般磁致伸缩均指线性磁致伸缩。只在个别特殊合金(如因瓦型合金)中体积磁致伸缩较为明显,引起膨胀、弹性反常变化而被利用。1.2退磁能引起的磁当磁体材料的磁化状态改变时,自身的形状和体积要发生改变,以使总能量达到最小。产生磁致伸缩的原因可归纳为下述三个方面:1)自发磁致伸缩(或称自发形变)。磁体由高温时的顺磁状态冷却,通过居里温度(Tc)变为铁磁(亚铁磁)状态,由于交换作用使其自发磁化形成磁畴,伴随有体积和形状的改变。2)磁场磁化过程的伸缩(又称场致形变)。一般所说的磁致伸缩即是指场致形变。在磁化未达到饱和状态之前,主要是磁体长度的变化,即线磁致伸缩,体积几乎不变;饱和磁化后主要是体积的变化,即体积磁致伸缩。体积磁致伸缩是交换作用引起的。线磁致伸缩与磁化过程有关。Vonsovky和KittelI的工作已证明线磁致伸缩和磁晶各向异性有相同的起源,是晶格上原子磁距间的磁相互作用引起的,即与晶格场对电子轨道运动的束缚有关:一方面电子轨道平面受晶格场作用,另一方面电子的轨道运动与自旋转运动间存在耦合作用(磁耦合称为L-S耦合)。这两方面的作用叠加在一起,引起线磁致伸缩。轨道耦合和自旋-轨道耦合作用与晶向有关,故这种线磁致伸缩是各向异性的。3)形状效应,是由于退磁能引起的。这一效应比前两者小。2逆磁致伸缩力原理铁磁材料磁化状态的变化伴随着材料尺寸变化的现象称之为材料的磁致伸缩效应。反过来,铁磁材料在外力如拉力、扭矩力等作用下发生变形,其磁化强度将随之发生变化的现象叫做逆磁致伸缩效应(或磁弹性效应或压磁效应)。磁致伸缩的逆效应是由Villari发现的。在这种情况下,材料产生各向异性,因此应力或应变状态的变化将会引起铁磁材料磁导率或磁阻的变化。在向磁各向异性传感器提供恒定的磁动势的条件下,磁路中磁阻的变化将引起磁通的变化,传感器上的检测线圈感应出的感生电动势的变化将反应这种变化。从而可将非电量的应力应变转化成可以测量的电量(如电压),达到应力监测的目的。这就是利用逆磁致伸缩效应测量应力的基本原理。其变化过程如下:F→Δσ→Δμ→ΔRm→Δν(1)其中,Δσ为应力变化量;Δμ为铁磁材料磁导率变化量;ΔRm为磁路中磁阻的变化量;Δν为传感器输出电压的变化量。文献根据铁磁材料的逆磁致伸缩效应,研究了基于这一效应的磁各向异性探头型传感器检测铁磁材料残余应力的方法,并进行了20号钢压缩试件的典型试验,证明了该方法的可行性。3磁扩胀效应用于检测厚带民事隔热层中的腐蚀缺陷3.1新型波检测技术该技术所用的传感器是基于铁磁材料中的磁致伸缩效应。这些磁致伸缩探头(MsS)能在铁磁材料中产生弹性波(或机械波),在检测时不需要耦合介质并且在探头和检测件表面之间有一定的缝隙(约几个厘米)。这种新的无损检测技术对诸如桥梁钢索和钢筋混凝土梁之类结构进行缺陷探测和动态检测方面显示了良好的潜力。而且,在裸露钢索上,这种探头在单一布置情况下,检测范围超过100m,因此是一种非常快速及高效的检测方法。3.2发射圈和接收圈的设计在过去的几年时间里,美国西南研究所(SwRI)一直在研制开发一种新型的NDE技术,其可行性试验中所用的设施和装置示意图如图1所示。电阻焊制作的钢管样管为ASTMA513GRADEI,6m长,外径约38mm,壁厚约2.4mm。MsS由环绕线圈和偏转磁场组成。在发射MsS中,线圈使钢管内产生一个按时间变化的磁场,通过磁致伸缩或Joule效应,在钢管内产生一个弹性波。弹性波在钢管长度方向向两端传播。在接收MsS中,线圈检测钢管中磁感应的变化,这是通过反向磁致伸缩,或Villari效应当弹性波通过线圈环绕的区域时实现的。偏转磁场将直流磁场引入到钢管中并使管壁保持磁化状态。这个直流磁场对改善探头灵敏度和保持电信号与弹性波之间的线性转换关系是必要的。发射线圈由50匝26号线组成,接收线圈由160匝32号线圈组成,每一个线圈长约6.4mm,直径约为64mm,为了模拟热隔离层,样管包裹了一层聚乙烯泡沫材料,这层材料填满了线圈和外表面之间约30mm的间隙。发射线圈和接收线圈分别布置在离钢管前端50mm和1200mm的位置。偏转磁场由带钢磁极的永久磁条组成,偏转磁场的方向沿管长方向。发射线圈由一个100kHz电流(峰值约5A)进行脉冲激励,该电流持续时间约60μs,由信号发生器产生并经功率放大器放大。接收线圈中的逆变电压被放大(放大倍数约100dB),并经中心频率为激励频率的带通滤波器进行滤波。滤波后再经12位A/D转换卡进行数字化及平滑处理。最后用计算机显示并存储。选择脉冲激励是为了减少发射波的耗散,从而提高对缺陷的检测能力。MsS配置及试验中反复使用的100kHz激励方式可在管壁中发射并检测到二次纵波。3.3符合检测根dm以上采用MsS技术对隔热层下的钢管进行检测的简单可行性试验表明:1)使用MsS技术可以检测薄层和圆周分布的裂纹缺陷;2)只需装一个探头即可以检测很长一段钢管(100m以上)。而且,该试验所用的纵波遍布于整个壁厚,因此,不象涡流探伤只能检测内表面的缺陷,MsS技术对整个管体作100%检测并可以检测内外表面的缺陷,很长一段钢管只用一个传感器就可以对整个管体进行检测,探头和钢管外表面之间允许有较大的间隙,被检材料的温度可达到居里温度(钢大约为724℃),这些优点说明MsS技术对隔热层下钢管进行高效的在线探伤具有良好的潜力。4超磁致伸缩材在膜法行业应当设置相应的磁场h铁磁性介质在磁场作用下的磁致伸缩与其在磁场中磁化强弱存在着直接的联系。为了描述磁介质的磁化状态,通常引入磁极化强度矢量的概念,它定义为单位体积分子磁偶极矩的矢量和。用J代表磁极化强度的矢量,则上述定义可用式(2)表示:J=∑ΡmΔV(2)由式(2)可知,磁极化强度矢量J直接反映了磁介质在磁场中磁学与力学之间的联系,下面采用磁介质磁化的磁荷观点,分析超磁致伸缩材料的变形量与磁极化强度之间的关系。首先作以下两点假设:1)超磁致伸缩材料与其驱动线圈等效为带铁芯的电感,内部磁场强度是均匀的;2)超磁致伸缩材料在宏观上等效为一弹性体,满足虎克定律。如图2所示,当超磁致伸缩材料在均匀磁化场H0中被均匀磁化,在其两端产生正、负磁荷的面密度为±σ′,设磁化场的等效磁荷面密度为σ0,则超磁致伸缩材料内部的合磁场H与磁化场H0和退磁场H′=σ′/μ0之间的关系为:由式(2)即磁场中的高斯定理知:Η=σ0μ(4)由式(3)、式(4)得:Η0=μσ′μ0(μ-μ0)(5)其中,μ0为真空磁导率;μ为超磁致伸缩材料的磁导率。设超磁致伸缩材料端面的面积为S,则其在磁场中可等效为一个大磁偶极子,受力为:同时,由式(3)和虎克定律知:F=Κ⋅ΔL(7)其中,K为超磁致伸缩材料的弹性刚度系数,ΔL为超磁致伸缩材料在外磁场下的伸长量,由式(6)、式(7)可得:由磁场中的高斯定理可导出超磁致伸缩材料的磁极化强度与端面磁荷间的普遍关系式:式中,n为超磁致伸缩材料表面的单位外法线矢量;θ为J与n之间的夹角;Jn为J在n上的投影,由图2可知,超磁致伸缩材料的磁化强度方向与其外法线方向相同,因此式(9)可简化为:σ′=J(10)由式(5)、式(8)、式(10)可得:又因(μ-μ0)在一定范围内可用μ来近似代替,则:ΔL=SΚ⋅μ0J2(12)由式(12)可知,虽然超磁致伸缩材料是铁磁性功能材料,其磁导率μ存在滞回和非线性特性,并且受材料内部应力的影响,但如果采用磁极化强度控制方法,则超磁致伸缩材料的伸长量受μ影响较小,控制精度可明显提高。但由于直接检测超磁致伸缩材料的磁化强度比较困难,考虑到铁磁质中的磁极化强度比磁场强度大得多,则有:Β=μ0Η+J≈J(13)