多物理场耦合作用下铁磁材料力学响应的研究
本文选题:磁致伸缩 + 磁滞回线 ; 参考:《吉林大学》2017年硕士论文
【摘要】:铁磁材料作为一种重要的功能材料,被广泛应用于工业和日常生活中。然而,铁磁材料的生产、应用与其力学和磁学性能有着密不可分的关系。特别是随着科学技术的发展,越来越多的铁磁材料在高温、复杂机械载荷作用下服役,显然测试手段单一的传统磁性检测技术已无法满足复杂服役环境下铁磁材料性能的测试需求。因此,研制能够对多场耦合作用下铁磁材料力磁响应进行有效测量的仪器,据此开展其服役性能测试的研究,将为铁磁材料研发、性能分析与可靠性评估提供基础和支撑,不仅有助于推动材料科学的发展,还有望产生显著的经济效益。论文对多物理场耦合作用下材料性能测试理论与技术的国内外发展现状进行了综述分析,特别介绍了铁磁材料性能测试的基本理论与方法。在此基础之上,开发了多载荷多物理场耦合材料微观力学性能测试仪器中的磁致伸缩特性核心测试单元,对商业化磁滞回线测试装置进行了功能扩展,针对三种典型铁磁材料开展了多物理场耦合作用下力学、磁学响应的试验研究。论文的主要研究工作如下:论文基于多物理场耦合测试理论与技术,设计提出了多载荷多物理场耦合材料微观力学性能测试仪器的磁致伸缩特性测试单元。采用Ansys中的Workbench模块对所设计的测试单元中关键零部件特性以及温度和磁场分布进行了仿真分析,对应变测量系统、定位平台精度等性能进行了测试分析,验证了所设计的测试单元的结构合理性。在此基础上,对购置的商业化磁滞回线测试装置进行了功能扩展。购置的商业化磁滞回线测试装置不具备力检测功能,无法开展力磁耦合试验,因此在装置内增加了蝶形弹簧,通过测量碟簧的变形量,推导出试件所承受的压力,进而可以开展不同压力下的磁滞回线测试;装置不具备低温加载功能,无法开展低温下的相关试验,因此增加了低温腔单元,将被测试件置于低温腔中,向低温腔通入低温无水乙醇进行降温,进而可以开展低温下的磁滞回线测试。就功能扩展后的装置进行了性能测试分析,采用铝镍钴标样验证了测试装置的精度和重复性。在上述工作的基础上,论文选择铝镍钴、铁氧体和铽镝铁作为典型研究对象,开展了较为系统的多物理场耦合作用下力学、磁学响应的试验研究。针对铽镝铁开展的磁致伸缩特性测试研究后发现:高温作用和垂直于磁场方向的压应力作用,导致铽镝铁各方向的磁致伸缩性能产生弱化现象。论文进一步对铝镍钴、铁氧体和铽镝铁开展了多物理场耦合作用下磁滞回线等性能响应的试验研究。针对铝镍钴的研究发现:压力增加会导致铝镍钴内禀矫顽力逐渐降低,但对剩余磁化强度无显著影响;温度升高则会导致内禀矫顽力和剩余磁化强度逐渐降低。针对铁氧体的研究发现:温度升高导致铁氧体剩余磁化强度降低、内禀矫顽力升高;压力作用对剩余磁化强度和内禀矫顽力无显著影响。针对铽镝铁的研究发现:铽镝铁的最高磁化强度随温度的降低非常明显,而压力的增加将使最高磁化强度呈下降的趋势。
[Abstract]:Ferromagnetic materials, as an important functional material, are widely used in industry and daily life. However, the production and application of ferromagnetic materials have an inseparable relationship with their mechanical and magnetic properties. In particular, with the development of science and technology, more and more ferromagnetic materials are in service under high temperature and complex mechanical loads. A single traditional magnetic testing technique has been unable to meet the testing requirements of ferromagnetic materials in complex service environment. Therefore, an instrument for effective measurement of the force and magnetic response of ferromagnetic materials under multi field coupling is developed, and the research on its service performance test will be developed for ferromagnetic materials, performance analysis and reliability evaluation. The basis and support are provided, not only to promote the development of material science, but also to produce significant economic benefits. This paper summarizes and analyzes the domestic and international development status of the theory and technology of material performance testing under the coupling of multiple physical fields, especially the basic theories and methods of the performance testing of ferromagnetic materials. The core testing unit of magnetostrictive characteristic in the micromechanical properties testing instrument of multi load and multi physical field coupling material is developed. The function expansion of the commercial hysteresis loop test device is extended. The experimental study on the mechanical and magnetic response of three typical ferromagnetic materials under the multi physical field coupling is carried out. The main Research of this paper is the paper. The work is as follows: Based on the theory and technology of multi physical field coupling test, the magnetostrictive characteristic test unit of the micromechanical properties testing instrument for multi load and multi physical field coupling material is designed and proposed. The Workbench module in Ansys is used to simulate the characteristics of the key parts and the distribution of the temperature and magnetic field in the designed test unit. In the true analysis, the performance of the variable measurement system and the positioning platform precision are tested and analyzed, and the structure rationality of the designed test unit is verified. On this basis, the commercial hysteresis loop test device has been expanded. The commercial hysteresis loop test device is not capable of carrying out the force detection function and can not carry out the force. As a result of the magnetic coupling test, the butterfly spring is added to the device. By measuring the deformation of the disc spring, the pressure of the specimen is derived and the hysteresis loop test under different pressure can be carried out. The device does not have the function of low temperature loading and can not carry out the related test under low temperature. Therefore, the cryogenic cavity unit is added to the test piece. In low temperature cavity, low temperature anhydrous ethanol is cooled to low temperature cavity, and then the hysteresis loop test can be carried out at low temperature. The performance test and analysis of the device after the function expansion are carried out. The accuracy and repeatability of the test device are verified by the aluminum nickel cobalt standard. Iron, as a typical research object, has carried out an experimental study of mechanical and magnetic response in a more systematic multi physical field coupling effect. The study of magnetostrictive characteristics of terbium dysprosium iron found that the effect of high temperature and compressive stress perpendicular to the direction of the magnetic field resulted in the weakening of magnetostrictive properties in all directions of Terbium and dysprosium iron. In this paper, an experimental study was carried out on the performance of the hysteresis loop of the aluminum nickel cobalt, ferrite and terbium iron under the multi physical field coupling. The study of alino cobalt found that the increase of pressure would decrease the intrinsic coercive force of the aluminum and nickel and cobalt, but had no significant influence on the residual magnetization; the increase of temperature would lead to intrinsic coercive force and the intrinsic coercive force. The residual magnetization of the ferrite decreased gradually. The study of ferrite found that the increase of the residual magnetization and intrinsic coercivity of ferrite had no significant effect on the residual magnetization and intrinsic coercivity. The increase of pressure will decrease the maximum magnetization.
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TM271
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