第四章磁致伸縮與巴克好森效應

1、第二章第二章 力磁效應力磁效應磁致伸縮效應與壓磁效應 鐵磁體在外磁場中被磁化時，鐵磁體在外磁場中被磁化時，其長度和體積都要發(fā)生微小其長度和體積都要發(fā)生微小變化，這種現(xiàn)象稱為變化，這種現(xiàn)象稱為磁致伸磁致伸縮效應縮效應。線磁致伸縮是由焦耳（Joule）于1842年發(fā)現(xiàn)的。與磁致伸縮效應相反，若給已若給已磁化了的鐵磁體（如棒狀鐵磁體）磁化了的鐵磁體（如棒狀鐵磁體）施加壓力或拉力，從而產(chǎn)生應變施加壓力或拉力，從而產(chǎn)生應變并伴隨磁體內(nèi)磁通密度的變化，并伴隨磁體內(nèi)磁通密度的變化，這種現(xiàn)象是磁致伸縮效應的逆效這種現(xiàn)象是磁致伸縮效應的逆效應，稱為壓磁效應，或維里拉應，稱為壓磁效應，或維里拉（Vilfari）效

2、應。）效應。通?？煞譃榫€磁致伸縮和體磁致伸縮。體磁致伸縮比線磁致伸縮要微弱得多，用途又少，因此，人們主要研究線磁致伸縮。除特別指明，磁致伸縮即指線磁致伸縮。如圖所示，當線圈中通以電流時便產(chǎn)生磁場，這磁場會使置于線圈中的鐵磁體磁化且伴隨長度的微小伸長l。這一伸長是由于在磁化過程中磁疇發(fā)生旋轉(zhuǎn)造成的。 線磁致伸縮是很微小的，相對變化只有1010一數(shù)量級，其數(shù)值隨磁場增加而增加，最后達到飽和第一節(jié)鐵磁性的基本概念第一節(jié)鐵磁性的基本概念 （1）物質(zhì)的磁性：物質(zhì)的磁性：物質(zhì)的磁性可分為抗磁性、抗磁性、順磁性、反鐵磁性、順磁性、反鐵磁性、鐵磁性和亞鐵磁性鐵磁性和亞鐵磁性，前三種是弱磁性，后兩種是強磁性。這

3、里只簡單介紹與磁致伸縮關系密切的順磁性和鐵磁性。順磁性和鐵磁性。 順磁質(zhì)受外磁場作用后，感生出與磁場順磁質(zhì)受外磁場作用后，感生出與磁場同方向的磁化強度同方向的磁化強度 H，其磁化率，其磁化率 0，數(shù)值很?。〝?shù)值很?。?0一一10一一數(shù)量級），僅顯示微數(shù)量級），僅顯示微弱磁性，稱為順磁性。稀土金屬、堿金屬和鐵弱磁性，稱為順磁性。稀土金屬、堿金屬和鐵族元素的鹽類等都是順磁質(zhì)。族元素的鹽類等都是順磁質(zhì)。 鐵磁質(zhì)只要在不大的磁場下就能被磁化到飽鐵磁質(zhì)只要在不大的磁場下就能被磁化到飽和，和， 很大（很大（1010數(shù)量級），磁化強度數(shù)量級），磁化強度與磁場強度之間的關系是非線性的復雜關系，與磁場強度之間的

4、關系是非線性的復雜關系，反復磁化時出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象（如圖），這反復磁化時出現(xiàn)磁滯現(xiàn)象（如圖），這種性質(zhì)稱為鐵磁性。當鐵磁質(zhì)的溫度高于鐵磁種性質(zhì)稱為鐵磁性。當鐵磁質(zhì)的溫度高于鐵磁居里溫度居里溫度T時，鐵磁性將轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?。純時，鐵磁性將轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?。純元素鐵磁質(zhì)只有具元素鐵磁質(zhì)只有具3電子的鐵鎳鈷三種金屬電子的鐵鎳鈷三種金屬和具有和具有4f電子的六種金屬，但具有鐵磁性的合電子的六種金屬，但具有鐵磁性的合金和化合物卻多種多樣。金和化合物卻多種多樣。（2）鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化）鐵磁質(zhì)的自發(fā)磁化 物質(zhì)是由原子組成的，原子內(nèi)部電子的運動要產(chǎn)生磁物質(zhì)是由原子組成的，原子內(nèi)部電子的運動要產(chǎn)生磁矩（這磁矩相當于矩（這

5、磁矩相當于38A的環(huán)形電流形成的），如果原的環(huán)形電流形成的），如果原子內(nèi)不同電子產(chǎn)生的總磁矩為零，或者，雖然原子總子內(nèi)不同電子產(chǎn)生的總磁矩為零，或者，雖然原子總磁矩不為零，但各原子的磁矩方向紊亂，則這種物質(zhì)磁矩不為零，但各原子的磁矩方向紊亂，則這種物質(zhì)就不會顯示磁性。就不會顯示磁性。鐵磁質(zhì)原子的磁矩不為零，且在任鐵磁質(zhì)原子的磁矩不為零，且在任一小區(qū)域內(nèi)所有原子的磁矩都按一定方向排列，這種一小區(qū)域內(nèi)所有原子的磁矩都按一定方向排列，這種現(xiàn)象稱為自發(fā)磁化?，F(xiàn)象稱為自發(fā)磁化。自發(fā)磁化是磁有序物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子中電子之間的交自發(fā)磁化是磁有序物質(zhì)內(nèi)部相鄰原子中電子之間的交換作用，克服了熱運動的無序效應，讓原

6、子磁矩有序換作用，克服了熱運動的無序效應，讓原子磁矩有序取向的結(jié)果。取向的結(jié)果。這種交換作用是非常強大的，若把它等這種交換作用是非常強大的，若把它等效成磁場的作用，可相當于效成磁場的作用，可相當于H10m的強磁場。的強磁場。人們平常見到的永久磁體的磁場就是由自發(fā)磁化產(chǎn)生人們平常見到的永久磁體的磁場就是由自發(fā)磁化產(chǎn)生的。的。（3）磁）磁 疇疇 鐵磁體內(nèi)部分成許多小鐵磁體內(nèi)部分成許多小區(qū)域（區(qū)域（10一一m數(shù)量級），數(shù)量級），每一小區(qū)域內(nèi)的原子磁每一小區(qū)域內(nèi)的原子磁矩都整齊排列起來，這矩都整齊排列起來，這就是磁疇。就是磁疇。 從理論上可證明磁疇的形成是以從理論上可證明磁疇的形成是以能量最低為原則能

7、量最低為原則的，在無外磁場的，在無外磁場時，時，磁疇都是自發(fā)磁化到飽和磁疇都是自發(fā)磁化到飽和，但其，但其磁化方向各不相同磁化方向各不相同，整個鐵磁體，整個鐵磁體的磁化強度是各個磁疇磁化強度的矢量和，其大小仍然為零，所以鐵的磁化強度是各個磁疇磁化強度的矢量和，其大小仍然為零，所以鐵磁體從整體來看對外并不顯示磁性。磁體從整體來看對外并不顯示磁性。 鐵磁體的自發(fā)磁化和具有磁疇的特點使其當溫度小于鐵磁體的自發(fā)磁化和具有磁疇的特點使其當溫度小于C時很容易磁時很容易磁化到飽和狀態(tài)，即用較小的磁場就能使各磁疇磁化強度排列在一個方化到飽和狀態(tài)，即用較小的磁場就能使各磁疇磁化強度排列在一個方向而顯示很大的磁化強

8、度；當溫度升高接近向而顯示很大的磁化強度；當溫度升高接近T時，熱效應變得越來越時，熱效應變得越來越顯著，使磁化方向偏離原來方向，飽和磁化強度越來越小，達到顯著，使磁化方向偏離原來方向，飽和磁化強度越來越小，達到時，時，打破這種有序的自發(fā)磁化，變成順磁體。鐵磁體的飽和自發(fā)磁化強度打破這種有序的自發(fā)磁化，變成順磁體。鐵磁體的飽和自發(fā)磁化強度與溫度的關系如圖所示。與溫度的關系如圖所示。 第二節(jié)第二節(jié).鐵磁體中的各種相互作用能鐵磁體中的各種相互作用能磁致伸縮是滿足能量最小條件的必磁致伸縮是滿足能量最小條件的必然結(jié)果，因此分析鐵磁體內(nèi)的然結(jié)果，因此分析鐵磁體內(nèi)的相互相互作用能作用能對我們分析磁致伸縮的原

9、因?qū)ξ覀兎治龃胖律炜s的原因是大有好處的。是大有好處的。鐵磁體的總能量是以下鐵磁體的總能量是以下5種相互作種相互作用能的總和（這里及以后提到的能用能的總和（這里及以后提到的能量都理解成能量密度）量都理解成能量密度）(1)交換能：交換能：是由電子自旋間交換相互是由電子自旋間交換相互作用產(chǎn)生的能量，這種相互作用使電作用產(chǎn)生的能量，這種相互作用使電子自旋平行取向。子自旋平行取向。它沒有經(jīng)典的類比，純屬量子效應，來源于全同粒子系統(tǒng)中電子云的重疊。原子內(nèi)兩個電子的相互交換作用能可表示為：一一2A 其中、為兩電子的自旋角動量，A稱為交換積分，是原子間距離的函數(shù)，如圖所示。如考慮的如考慮的系統(tǒng)為系統(tǒng)為，鎳：，

10、鈷：0，一般|（3）磁彈性能）磁彈性能 是由晶體是由晶體磁性磁性與與彈性彈性相互作用引起相互作用引起的，它也具有各向異性的特點。它包括的，它也具有各向異性的特點。它包括由外應力作用而產(chǎn)生的非自發(fā)形變的由外應力作用而產(chǎn)生的非自發(fā)形變的磁磁應力能應力能，應力可以通過磁應力能對磁化應力可以通過磁應力能對磁化過程起促進或阻礙作用，過程起促進或阻礙作用，這與壓磁效應這與壓磁效應有聯(lián)系。有聯(lián)系。 （4）退磁場能）退磁場能 如圖如圖4-6所示，所示，即為退磁場能，可表為：有限幾何尺寸的鐵磁體，有限幾何尺寸的鐵磁體，在外磁場在外磁場中被磁化后，中被磁化后，其兩端面上出現(xiàn)的、其兩端面上出現(xiàn)的、磁極，磁極，在鐵磁

11、體內(nèi)部產(chǎn)生在鐵磁體內(nèi)部產(chǎn)生的的與磁化強度矢量方向與磁化強度矢量方向相反的相反的磁場磁場，稱為退，稱為退磁場。磁場。當鐵磁體被均勻磁化時，當鐵磁體被均勻磁化時，退磁場可表成：退磁場可表成： H一一M式中是退磁因子，決定于鐵磁體的幾何形狀。鐵磁體與此退磁場相互作用的能量。Ed0 0 Hd d M 0 0 N M d M 1/2 0 N M 2MM（）外磁場能（）外磁場能 是由鐵磁體與外磁場相互作用產(chǎn)生的能是由鐵磁體與外磁場相互作用產(chǎn)生的能量。若鐵磁體磁化強度為量。若鐵磁體磁化強度為M，外磁場為，外磁場為H，它們的夾角為它們的夾角為，則外磁場能，則外磁場能 MH 因此它也是各向異性能，它是鐵磁體磁因

12、此它也是各向異性能，它是鐵磁體磁化的動力。化的動力。第三節(jié)磁致伸縮第三節(jié)磁致伸縮 前面已提到，磁致伸縮是前面已提到，磁致伸縮是為滿足總自由能最小而發(fā)為滿足總自由能最小而發(fā)生的，下面簡略分析以上生的，下面簡略分析以上各種能量的變化是如何影各種能量的變化是如何影響鐵磁體的形狀、大小、響鐵磁體的形狀、大小、長短的。長短的。假設一球形單疇樣品除退磁假設一球形單疇樣品除退磁場能場能V外，沒有其外，沒有其他相互作用，為降低這一能他相互作用，為降低這一能量，除體積要縮小外，還要量，除體積要縮小外，還要在自發(fā)磁化方向伸長而變?yōu)樵谧园l(fā)磁化方向伸長而變?yōu)闄E球形狀，以減小退磁因子橢球形狀，以減小退磁因子，這就是形狀

13、效應（如圖，這就是形狀效應（如圖）。）。 有一單疇樣品在居里點有一單疇樣品在居里點C以上是順磁球體，當它冷卻至以上是順磁球體，當它冷卻至TC以下時發(fā)生自發(fā)磁化。以下時發(fā)生自發(fā)磁化。對于鐵，為了降低交換能，須使交換積分A增大，因而原子間距離須相應地增大（見圖），結(jié)果體積也就隨磁化而增大，這就是自發(fā)體磁致伸縮（如圖（b）同時由于各向異性能的影響，產(chǎn)生線磁致伸由于各向異性能的影響，產(chǎn)生線磁致伸縮，其結(jié)果使圓球變?yōu)闄E球縮，其結(jié)果使圓球變?yōu)闄E球（如圖（c）。 在在T，下，把上面的鐵磁橢球放在外磁場中，當，下，把上面的鐵磁橢球放在外磁場中，當H比比飽和磁化場飽和磁化場H小時，橢球的形變主要是線性磁致伸縮小

14、時，橢球的形變主要是線性磁致伸縮（體積幾乎不變）。實驗結(jié)果表明，線磁致伸縮與磁化過程密切相關，并表現(xiàn)出各向異性，被認為是由各向異性能引起的。當比當比大時，橢球的形變主要是體磁致伸縮。大時，橢球的形變主要是體磁致伸縮。 假若鐵磁球是多疇結(jié)構(gòu)，自居里溫度冷卻下來后，疇要自發(fā)形變，但球只改變大小，不改變形狀（如圖（b）。 在某方向加磁場磁化，各疇取向基本沿外磁場，在某方向加磁場磁化，各疇取向基本沿外磁場，各個自發(fā)磁化的形變伸長方向也要排列在外磁場各個自發(fā)磁化的形變伸長方向也要排列在外磁場方向，因此球在磁場方向伸長，在垂直于此方向方向，因此球在磁場方向伸長，在垂直于此方向縮短（如圖（）所示）?？s短（如

15、圖（）所示）。當鐵磁體發(fā)生磁致伸縮時，其磁當鐵磁體發(fā)生磁致伸縮時，其磁彈性能將會升高，致使這種形變彈性能將會升高，致使這種形變不可能無限制地進行下去，它實不可能無限制地進行下去，它實際上是多種能量相互制約，最后際上是多種能量相互制約，最后達總能量為最小的狀態(tài)。達總能量為最小的狀態(tài)。磁致伸縮的程度可用磁致伸縮的程度可用磁致伸縮磁致伸縮系數(shù)來表征，它定義為鐵磁質(zhì)長系數(shù)來表征，它定義為鐵磁質(zhì)長度的相對變化度的相對變化l / l， 圖圖4-10表明了表明了隨外磁場隨外磁場H的的變化規(guī)律。達到飽和磁化時，變化規(guī)律。達到飽和磁化時，為一確定值，稱為飽和磁致伸縮為一確定值，稱為飽和磁致伸縮系數(shù)，以系數(shù)，以表

16、示，表示，有正（鐵）有正（鐵）有負（鎳）。有負（鎳）。由于各向異性，不同晶由于各向異性，不同晶軸方向的飽和磁致伸縮軸方向的飽和磁致伸縮系數(shù)是不同的。系數(shù)是不同的。磁致伸縮效應的應用磁致伸縮效應的應用 利用此效應可制成電聲換能器（磁致伸縮振子），它們很早就被用利用此效應可制成電聲換能器（磁致伸縮振子），它們很早就被用于超聲波的發(fā)生和檢測，應用于音響探測儀、聲吶、超聲波洗滌滅于超聲波的發(fā)生和檢測，應用于音響探測儀、聲吶、超聲波洗滌滅菌，以及打孔、焊接等方面。為了獲得較強的超聲波，它們大多都菌，以及打孔、焊接等方面。為了獲得較強的超聲波，它們大多都在機械共振頻率下使用，由于振子尺寸的限制，頻率主要在

17、幾千赫在機械共振頻率下使用，由于振子尺寸的限制，頻率主要在幾千赫到幾百千赫。此外還可制成穩(wěn)頻器、濾波器、振蕩器、自動控制器到幾百千赫。此外還可制成穩(wěn)頻器、濾波器、振蕩器、自動控制器件等。件等。磁致伸縮的另一個重要應用是可制成應力傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器。這磁致伸縮的另一個重要應用是可制成應力傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器。這種應力傳感器多用于檢測噸以上的重量，現(xiàn)在一般采用磁致伸縮種應力傳感器多用于檢測噸以上的重量，現(xiàn)在一般采用磁致伸縮系數(shù)較大的硅鋼片制成。在傳感器電路中，輸入應力與輸出電壓成系數(shù)較大的硅鋼片制成。在傳感器電路中，輸入應力與輸出電壓成正比，精度一般為：，最高可達正比，精度一般為：，最高可達0.30

18、5。轉(zhuǎn)矩傳感。轉(zhuǎn)矩傳感器可直接利用機器轉(zhuǎn)軸測量，且可測量出較小扭角轉(zhuǎn)矩。器可直接利用機器轉(zhuǎn)軸測量，且可測量出較小扭角轉(zhuǎn)矩。當變壓器、鎮(zhèn)流器工作時，有時會產(chǎn)生振動噪聲，這是由磁致伸縮當變壓器、鎮(zhèn)流器工作時，有時會產(chǎn)生振動噪聲，這是由磁致伸縮效應產(chǎn)生的，是它不利的一面。效應產(chǎn)生的，是它不利的一面。一般動態(tài)磁致伸縮效應大的材料有純鎳、鎳鈷、鎳鐵、鐵鈷、鐵鋁一般動態(tài)磁致伸縮效應大的材料有純鎳、鎳鈷、鎳鐵、鐵鈷、鐵鋁等的以及鎳、鎳鈷、鎳銅鈷鐵氧體（陶瓷）等，它們具有較大的磁等的以及鎳、鎳鈷、鎳銅鈷鐵氧體（陶瓷）等，它們具有較大的磁致伸縮系數(shù)（致伸縮系數(shù)（10一一數(shù)量級），某些烯土鐵金屬化合物（數(shù)量級），

19、某些烯土鐵金屬化合物（Tb鋱，鋱，TbF）甚至高達）甚至高達數(shù)量級。近來又出現(xiàn)了一些非晶磁致伸數(shù)量級。近來又出現(xiàn)了一些非晶磁致伸縮材料，例如金屬玻璃等?？s材料，例如金屬玻璃等。第節(jié)威德曼效應及逆效應第節(jié)威德曼效應及逆效應 威德曼效應是沿著管狀鐵磁體的軸向通以電流，再在這個軸向施加磁場時，在這個軸的四周發(fā)生扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，電流產(chǎn)生的環(huán)狀磁場和軸向磁場的合成磁場使得磁疇的排列發(fā)生變化，引起自發(fā)磁化強度M轉(zhuǎn)動，由此產(chǎn)生的磁致伸縮效應造成了扭轉(zhuǎn)。因此，威德曼效應即剪切磁致伸縮威德曼效應即剪切磁致伸縮效應效應。若在圓周方向加的是交流磁場，則產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動。雖然在9世紀60年代就發(fā)現(xiàn)了這個效應，但近來這種扭轉(zhuǎn)振

20、子才找到應用。逆威德曼效應是指把管狀鐵磁體繞逆威德曼效應是指把管狀鐵磁體繞軸扭轉(zhuǎn)時，若沿軸向施加磁場，則沿軸扭轉(zhuǎn)時，若沿軸向施加磁場，則沿管的圓周方向產(chǎn)生磁化的現(xiàn)象。管的圓周方向產(chǎn)生磁化的現(xiàn)象。IHMs問題問題16以下哪個量對磁致伸縮影響較小A、材料各向異性B、磁疇取向C、居里溫度D、自發(fā)磁化E、楊氏模量第節(jié)巴克好森效應第節(jié)巴克好森效應 當鐵磁物質(zhì)被磁化時，由于其中磁疇大小和取向變小的當鐵磁物質(zhì)被磁化時，由于其中磁疇大小和取向變小的不連續(xù)性，以致磁化過程以一系列小跳躍的形式進行不連續(xù)性，以致磁化過程以一系列小跳躍的形式進行（如圖（）所示），這種效應稱為（如圖（）所示），這種效應稱為巴克好森巴克

21、好森(Barkhousen)效應效應。如果把正在磁化的樣品放在一個連接到放大器和揚聲器如果把正在磁化的樣品放在一個連接到放大器和揚聲器的線圈之內(nèi)，跳躍式的磁化過程，會引起一系列咔嗒聲。的線圈之內(nèi)，跳躍式的磁化過程，會引起一系列咔嗒聲。巴克好森效應一般發(fā)生在磁滯回線的陡峭部分，是支持巴克好森效應一般發(fā)生在磁滯回線的陡峭部分，是支持磁疇理論的一項重要依據(jù)。此效應產(chǎn)生的信號特征依賴于磁疇理論的一項重要依據(jù)。此效應產(chǎn)生的信號特征依賴于材料的微組織結(jié)構(gòu)和應力狀態(tài)。材料的微組織結(jié)構(gòu)和應力狀態(tài)。此效應是巴克好森在此效應是巴克好森在19191919年發(fā)現(xiàn)的，他的目的在于闡明年發(fā)現(xiàn)的，他的目的在于闡明磁疇的運動

22、。年代后，它得到了更深入的理論研究，磁疇的運動。年代后，它得到了更深入的理論研究，同時開拓了眾多應用領域。同時開拓了眾多應用領域。我們知道，鐵磁質(zhì)都是由一個個小磁疇組成，我們知道，鐵磁質(zhì)都是由一個個小磁疇組成，每個磁疇內(nèi)的原子磁矩都沿同一方向排列，但每個磁疇內(nèi)的原子磁矩都沿同一方向排列，但不同磁疇的磁矩取向不同。兩個磁疇交界為疇不同磁疇的磁矩取向不同。兩個磁疇交界為疇壁，無外磁場時，由于磁疇磁矩取向的雜亂，壁，無外磁場時，由于磁疇磁矩取向的雜亂，對外不顯示磁性。當施加外磁場，鐵磁質(zhì)被磁對外不顯示磁性。當施加外磁場，鐵磁質(zhì)被磁化。圖（化。圖（b）表明磁場逐步增大時，）表明磁場逐步增大時，磁化過程

23、中磁疇運動變化的四個階段。磁化過程中磁疇運動變化的四個階段。第一階段第一階段是疇壁的可逆位移是疇壁的可逆位移。在外磁場較小時，在外磁場較小時，通過疇壁的移動，使取向與磁場方向一致的疇通過疇壁的移動，使取向與磁場方向一致的疇得以擴展，而取向與磁場方向相差大的疇則收得以擴展，而取向與磁場方向相差大的疇則收縮，這樣造成了樣品的磁化。這時若把磁場去縮，這樣造成了樣品的磁化。這時若把磁場去掉，疇壁又會退回原地，整個樣品回至無磁性掉，疇壁又會退回原地，整個樣品回至無磁性體態(tài)，由此可見，在這個階段疇壁的移動是可體態(tài)，由此可見，在這個階段疇壁的移動是可逆的。逆的。第二階段第二階段是不可逆的磁化不可逆的磁化。隨

24、著外磁場的增大，隨著外磁場的增大，磁化強度急劇增加，并且出現(xiàn)了巴克好森效應，磁化強度急劇增加，并且出現(xiàn)了巴克好森效應，這是因為疇壁的移動和磁疇結(jié)構(gòu)的變化是跳躍這是因為疇壁的移動和磁疇結(jié)構(gòu)的變化是跳躍式的。式的。第三階段第三階段是磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動。隨著外磁場的進一步增加，疇壁移動基本完畢，這時只有靠磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動，才能使磁化強度增加。一般情況下，可逆與不可逆的疇轉(zhuǎn)動同時發(fā)生于這一階段，因此也有巴克好森效應存在。第四階段第四階段是趨近飽和階段趨近飽和階段。其特點是，盡管外磁場增加很大，磁化強度增加卻很小，它是由磁疇磁矩可逆轉(zhuǎn)動造成的。從磁疇變化角度看，磁化過程包括兩種基本形式：從磁疇變

25、化角度看，磁化過程包括兩種基本形式：疇壁移動；疇壁移動；磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動。磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動。對不同的鐵磁材料，它們發(fā)生于哪一階段不盡相同，但上述分析還是具有一般性的。1疇壁的移動引起巴克好森效應疇壁的移動引起巴克好森效應 巴克好森效應主要由疇壁的移動產(chǎn)巴克好森效應主要由疇壁的移動產(chǎn)生的。布洛赫認為疇壁是一個磁矩生的。布洛赫認為疇壁是一個磁矩方向逐漸改變的過渡層（如圖方向逐漸改變的過渡層（如圖4-12(a)），這里以），這里以180疇壁來說明疇疇壁來說明疇壁移動的過程。壁移動的過程。E=（coscos180）所以：所以：總總?cè)敉饧哟艌鋈敉饧哟艌鯤與與A疇的磁化強度疇的磁化強度M一致，而與疇的一致，而

26、與疇的相反，則在相反，則在作用下，各磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)動，使得疇作用下，各磁矩發(fā)生轉(zhuǎn)動，使得疇壁中靠近壁中靠近A疇的磁矩轉(zhuǎn)至方向而疇的磁矩轉(zhuǎn)至方向而進入進入A疇，疇，B疇的磁矩偏離原來方向疇的磁矩偏離原來方向而進入疇壁。結(jié)果使疇體積增大，而進入疇壁。結(jié)果使疇體積增大，B疇體積縮小，相當于疇壁移動了一疇體積縮小，相當于疇壁移動了一段距離段距離,此時單位面積的此時單位面積的180疇疇壁的總自由能由兩部分組成：疇壁壁的總自由能由兩部分組成：疇壁能能和靜磁能和靜磁能隨著壁移的增大，靜磁能減小，但疇壁能增大，故由自由能極小條件 總總/ 0可求得平衡條件（疇壁不移動的條件）:2 0 H MS = EW / 疇壁能

27、的增大產(chǎn)生了疇壁移動的阻力，這些阻力來源于鐵磁體內(nèi)的不均勻性，例如：內(nèi)應力的起伏分布，組成成分的起伏分布、雜質(zhì)、氣孔和非磁性等。設疇壁能E在材料中的分布及 / 如圖4-13(b)、(c)所示，在退磁狀態(tài)H0時；疇壁應在 / 0處，即0點；當外加適當磁場 HH時，疇壁移到位置，且滿足 2 0 H MS = EW / 圖疇磁滯回線從到a這一段疇壁移動是可逆的，當疇壁移到a點時，便達 / 的極大值點，這時稍增大一點，疇壁便會移動這時稍增大一點，疇壁便會移動很大一段距離，達很大一段距離，達b點才停止，從點才停止，從a到到b 這一段是疇壁移動的不可逆階這一段是疇壁移動的不可逆階段，是一個跳躍式的過程，因

28、為若段，是一個跳躍式的過程，因為若將外磁場將外磁場H減為零，疇壁不能退回減為零，疇壁不能退回到到0點，只能到點，只能到C點。點。 所以可逆遇不可逆的臨界外磁場為： 1 EW H0 20MS X max巴克好森效應巴克好森效應疇壁移動由疇壁移動由a到到b后，減小外場后，減小外場至至H0，由于壁移的不可逆性，由于壁移的不可逆性，進到剩磁狀態(tài)進到剩磁狀態(tài)c。若要將疇壁移。若要將疇壁移動到動到0處，必須加一反向磁處，必須加一反向磁場，即矯頑力場，即矯頑力HC，疇壁就經(jīng)歷了疇壁就經(jīng)歷了cdf的反磁化，的反磁化，df也是一個跳躍式的位移過程，因也是一個跳躍式的位移過程，因此巴克好森效應也能發(fā)生在磁滯此巴克

29、好森效應也能發(fā)生在磁滯回線的其他陡峭部分?；鼐€的其他陡峭部分。圖圖4-14為為180 疇壁位移形成的疇壁位移形成的磁疇的磁化曲線和磁滯回線。在磁疇的磁化曲線和磁滯回線。在磁化過程中，疇壁到達磁化過程中，疇壁到達a點以后，點以后，便出現(xiàn)不可逆壁移，是因為便出現(xiàn)不可逆壁移，是因為a點點阻力是極大值阻力是極大值 a max所以可逆與不可逆的臨界外磁場力大于所以可逆與不可逆的臨界外磁場力大于H0時，疇壁時，疇壁就會出現(xiàn)多次跳躍式的位移（如圖就會出現(xiàn)多次跳躍式的位移（如圖4-15（）所示），（）所示），相應磁化曲線的巴克好森效應如圖（）相應磁化曲線的巴克好森效應如圖（）所示。所示。OA，BC，DE是可逆

30、壁移階段，是可逆壁移階段，AB，CD，EF是不可逆壁移階段，是不可逆壁移階段，AF在磁化曲線上就是陡峭部分。在磁化曲線上就是陡峭部分。巴克好森跳躍往往被作為不可逆壁移的標志。巴克好森跳躍往往被作為不可逆壁移的標志。2磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動引起巴克好森效應磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動引起巴克好森效應 磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動也可產(chǎn)生巴克好森效應，如圖磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動也可產(chǎn)生巴克好森效應，如圖4-16，以，以單軸物質(zhì)為例，當外磁場單軸物質(zhì)為例，當外磁場H0時，磁疇磁矩在易磁化時，磁疇磁矩在易磁化方向；當加一與此方向成方向；當加一與此方向成 角的外場，若沒有阻礙，角的外場，若沒有阻礙，磁矩會轉(zhuǎn)至磁矩會轉(zhuǎn)至 的位置，轉(zhuǎn)動過程中，雖然靜

31、磁能的位置，轉(zhuǎn)動過程中，雖然靜磁能減小，但磁晶各向異性能減小，但磁晶各向異性能增大，所以只能轉(zhuǎn)至增大，所以只能轉(zhuǎn)至 0 的位置（如圖的位置（如圖4-16（）所示）。單位體積總自由能：（）所示）。單位體積總自由能：磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動引起巴克好森效應磁疇磁矩的轉(zhuǎn)動引起巴克好森效應 于是由平衡條件于是由平衡條件 /即可決定平衡時即可決定平衡時 角度。這角度。這時若把去掉時若把去掉,仍可回到原來的易軸方向，因此是仍可回到原來的易軸方向，因此是可逆轉(zhuǎn)動?？赡孓D(zhuǎn)動。 考慮圖考慮圖4-16（b）的情況，）的情況， 90 ，當，當H由零起增加，由零起增加， 也由零逐漸增加，當也由零逐漸增加，當 不大時，若把去掉，

32、不大時，若把去掉，仍回仍回到原來易軸上，這也是可逆轉(zhuǎn)動。到原來易軸上，這也是可逆轉(zhuǎn)動。 若繼續(xù)增大至臨界磁場若繼續(xù)增大至臨界磁場H，M旋轉(zhuǎn)大到某旋轉(zhuǎn)大到某 處，處，會繼續(xù)轉(zhuǎn)至會繼續(xù)轉(zhuǎn)至H并在各向異性能等效場作用下，超過并在各向異性能等效場作用下，超過H達達d到圖到圖4-16 (c)的位置，這是一個急劇跳躍式的轉(zhuǎn)動，的位置，這是一個急劇跳躍式的轉(zhuǎn)動，這時若去掉，這時若去掉，M將不能回到原來向上的易軸上，而將不能回到原來向上的易軸上，而達到向下的易軸上，因此這是不可逆的轉(zhuǎn)動，也是巴達到向下的易軸上，因此這是不可逆的轉(zhuǎn)動，也是巴克好森效應的來源之一?？撕蒙膩碓粗弧?近年來此效應在材料研究和測

33、量技術(shù)方面得到應用近年來此效應在材料研究和測量技術(shù)方面得到應用 （1）微結(jié)構(gòu)和晶粒度的測量微結(jié)構(gòu)和晶粒度的測量：鐵磁材料的多晶結(jié)構(gòu)中的空隙、雜質(zhì)、脫溶物、位錯等缺陷以及晶粒度的大小，都對疇壁移動有制約作用，因而影響巴克好森信號。通過測量這種信號，可分析材料的微結(jié)構(gòu)和晶粒度分布，同常用的光學分析方法相比，它有以下優(yōu)點：測量速度快，可對大物體進行快速檢測且可迅速反饋給生產(chǎn)過程，是無損檢測，結(jié)果客觀，費用低廉。另外，用這種技術(shù)還可測量硅鋼晶粒取向的各向異性參數(shù)，馬氏體硬度、奧氏體鋼中鐵素體含量等。（2）應力的測量應力的測量：應力作用于鐵磁體上引起磁彈性能變化，從而改變巴克好森效應的信號。用此效應測量

34、應力就是基于信號對應力的這種依賴關系，這種技術(shù)與用應變儀、X 射線、超聲、光學以及穆斯堡爾譜測量應力相比，具有快速簡便、無損傷的特點。此技術(shù)目前已用于檢測焊接和熱處理時的殘余應力爆炸時的瞬間應力以及監(jiān)視構(gòu)件應力變化以預測其安全性。在軍事上 用于炮殼、槍筒、炮車的檢測。（）鐵損測量鐵損測量：磁性材料的鐵損是決定變壓器、電動機，發(fā)電機等設備性能的重要參量，測量鐵損用巴克好森效應的方法省時省力、簡便。第六節(jié)第六節(jié) 金屬磁記憶金屬磁記憶 效應效應1994年，杜波夫教授在“Metal magnetic memory”一文中首次介紹了金屬磁記憶概念，經(jīng)過20多年來的理論和實踐研究，金屬磁記憶檢測技術(shù)已經(jīng)發(fā)

35、展成較為成熟的無損檢測方法。針對該項檢測技術(shù)，俄羅斯聯(lián)邦工程監(jiān)督部門(Russian Federation State Engineering Supervision) 已通過了30多種指導性文件，如：pp10-262-98，pp153-34.1-17.421-98，火力發(fā)電廠鍋爐、汽輪機管道主要部件金屬檢測和延長使用壽命典型規(guī)程；pp34.17.446-97蒸汽和熱水鍋爐表面受熱管件技術(shù)診斷方法指導規(guī)程；pp03-380-00儲存可燃氣體的壓力球罐和氣罐檢測規(guī)程等，有效的應用于各工業(yè)部門。一、金屬磁記憶物理機制一、金屬磁記憶物理機制金屬磁記憶檢測的物理基礎是自發(fā)磁化現(xiàn)象、磁金屬磁記憶檢測的物

36、理基礎是自發(fā)磁化現(xiàn)象、磁機械效應、磁致伸縮，磁彈性效應、金屬疲勞。機械效應、磁致伸縮，磁彈性效應、金屬疲勞。自發(fā)磁化現(xiàn)象：自發(fā)磁化現(xiàn)象：原先不顯磁性的某些鐵磁性材料原先不顯磁性的某些鐵磁性材料工件經(jīng)切削加工后，工件本身和刀具被強烈磁化，工件經(jīng)切削加工后，工件本身和刀具被強烈磁化，而某些本來并無磁性的機器零部件在運行一段時間而某些本來并無磁性的機器零部件在運行一段時間之后卻顯出了磁性，稱前者為之后卻顯出了磁性，稱前者為“加工磁化加工磁化”，后者，后者為為運行磁化；運行磁化；磁記憶效應即為運行磁化現(xiàn)象。磁記憶效應即為運行磁化現(xiàn)象。磁機械效應，在地磁場作用的條件下，缺陷處的磁機械效應，在地磁場作用的

37、條件下，缺陷處的磁導率減小，工件表面的漏磁場增大，鐵磁材料的磁導率減小，工件表面的漏磁場增大，鐵磁材料的這一特性稱為磁機械效應。這一特性稱為磁機械效應。 磁致伸縮是指伴隨著鐵磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)而產(chǎn)磁致伸縮是指伴隨著鐵磁性物質(zhì)的磁化狀態(tài)而產(chǎn)生的大小和形狀的變化，同時也包括由應力產(chǎn)生生的大小和形狀的變化，同時也包括由應力產(chǎn)生的磁化狀態(tài)的變化。鐵磁性物質(zhì)磁化時其長度發(fā)的磁化狀態(tài)的變化。鐵磁性物質(zhì)磁化時其長度發(fā)生變化的效應稱為線性磁致伸縮，體積發(fā)生變化生變化的效應稱為線性磁致伸縮，體積發(fā)生變化時稱為體積磁致伸縮。該效應的產(chǎn)生使單晶在晶時稱為體積磁致伸縮。該效應的產(chǎn)生使單晶在晶軸方向磁化時發(fā)生線性磁致伸

38、縮，大小可用磁致軸方向磁化時發(fā)生線性磁致伸縮，大小可用磁致伸縮系數(shù)伸縮系數(shù)s s表示，表示，s=s=L/LL/L，式中，式中L L為晶體在某為晶體在某晶軸上的長度；晶軸上的長度；L L為由于磁致伸縮引起的該晶軸為由于磁致伸縮引起的該晶軸方向上長度的變化量。方向上長度的變化量。s s為正時表現(xiàn)為沿晶軸方為正時表現(xiàn)為沿晶軸方向伸長，為負時則表現(xiàn)為縮短。向伸長，為負時則表現(xiàn)為縮短。 鐵磁學指出當彈性應力作用于鐵磁體時，鐵磁體鐵磁學指出當彈性應力作用于鐵磁體時，鐵磁體不但會產(chǎn)生彈性應變，還會產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的不但會產(chǎn)生彈性應變，還會產(chǎn)生磁致伸縮性質(zhì)的應變現(xiàn)象，從而引起磁疇壁的位移，改變自發(fā)磁應變現(xiàn)象，

39、從而引起磁疇壁的位移，改變自發(fā)磁化強度的方向和應力方向的磁導率化強度的方向和應力方向的磁導率 ，即磁彈性效，即磁彈性效應。應。 圖圖1 為磁彈性效應示意圖，它表明當鐵質(zhì)工件的某為磁彈性效應示意圖，它表明當鐵質(zhì)工件的某一部位在周期性負載和外部磁場（如地球磁場）的一部位在周期性負載和外部磁場（如地球磁場）的共同作用時，該處會出現(xiàn)殘余磁感應強度和自磁化共同作用時，該處會出現(xiàn)殘余磁感應強度和自磁化的增長，即在振動負載的作用下，處于地球磁場中的增長，即在振動負載的作用下，處于地球磁場中的鐵磁體磁化的鐵磁體磁化退磁過程具有非對稱性，在磁化退磁過程具有非對稱性，在磁化或退磁過程中分別積累或放出的磁性能不相等

40、，故或退磁過程中分別積累或放出的磁性能不相等，故每經(jīng)過一次磁化每經(jīng)過一次磁化退磁循環(huán)，鐵磁質(zhì)都會獲得一退磁循環(huán)，鐵磁質(zhì)都會獲得一個由其磁化個由其磁化退磁曲線決定的磁感應增量。雖然退磁曲線決定的磁感應增量。雖然十分微小，但如果這種磁化十分微小，但如果這種磁化退磁過程的循環(huán)次退磁過程的循環(huán)次數(shù)十分巨大的話，則可達到相當大的量值，最終使數(shù)十分巨大的話，則可達到相當大的量值，最終使該物體趨近并達到其最大剩余磁感應強度（該物體趨近并達到其最大剩余磁感應強度（,為外部為外部磁場）。對順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)，因為它們的磁化和退磁場）。對順磁質(zhì)和抗磁質(zhì)，因為它們的磁化和退磁曲線都是相同的直線，故其磁化和退磁作用相互磁

41、曲線都是相同的直線，故其磁化和退磁作用相互抵消，不會積累出可觀的剩磁，所以導體在地球磁抵消，不會積累出可觀的剩磁，所以導體在地球磁場中運動而自發(fā)強烈磁化的充分條件是：必須是鐵場中運動而自發(fā)強烈磁化的充分條件是：必須是鐵磁性物質(zhì)，且其磁化磁性物質(zhì)，且其磁化退磁過程的循環(huán)次數(shù)十分退磁過程的循環(huán)次數(shù)十分巨大。巨大。 設備金屬構(gòu)件和零部件發(fā)生損壞的主要原設備金屬構(gòu)件和零部件發(fā)生損壞的主要原因是機械應力集中導致的疲勞失效。金屬因是機械應力集中導致的疲勞失效。金屬疲勞是指在交變應力的作用下，金屬材料疲勞是指在交變應力的作用下，金屬材料發(fā)生破壞的現(xiàn)象。機械零件在交變壓力的發(fā)生破壞的現(xiàn)象。機械零件在交變壓力的

42、作用下，經(jīng)過一段時間后，在局部高應力作用下，經(jīng)過一段時間后，在局部高應力區(qū)形成微小裂紋，再由微小裂紋逐漸擴展區(qū)形成微小裂紋，再由微小裂紋逐漸擴展以致斷裂。疲勞破壞具有突發(fā)性、局部性以致斷裂。疲勞破壞具有突發(fā)性、局部性以及對環(huán)境和缺陷的敏感性等特點，故疲以及對環(huán)境和缺陷的敏感性等特點，故疲勞破壞常不易被及時發(fā)現(xiàn)且易于造成事故。勞破壞常不易被及時發(fā)現(xiàn)且易于造成事故。應力幅值、平均應力大小和循環(huán)次數(shù)是影應力幅值、平均應力大小和循環(huán)次數(shù)是影響金屬疲勞的三個主要因素。響金屬疲勞的三個主要因素。 二、二、 金屬磁記憶現(xiàn)象金屬磁記憶現(xiàn)象鐵磁體在載荷和地球磁場的共同作用下會產(chǎn)生磁記憶鐵磁體在載荷和地球磁場的共

43、同作用下會產(chǎn)生磁記憶現(xiàn)象，是磁彈性效應和磁機械效應共同作用的結(jié)果?，F(xiàn)象，是磁彈性效應和磁機械效應共同作用的結(jié)果。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的內(nèi)部原因取決于鐵磁晶體的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生這種現(xiàn)象的內(nèi)部原因取決于鐵磁晶體的微觀結(jié)構(gòu)特點，即鐵磁工件在經(jīng)熔煉、鍛造及熱處理等加工工特點，即鐵磁工件在經(jīng)熔煉、鍛造及熱處理等加工工藝時，溫度大大超過居里點，構(gòu)件內(nèi)部的磁疇組織會藝時，溫度大大超過居里點，構(gòu)件內(nèi)部的磁疇組織會被瓦解，磁性消失，隨后在金屬冷卻到居里點以下的被瓦解，磁性消失，隨后在金屬冷卻到居里點以下的過程中，一方面鐵磁晶體重新形成磁構(gòu)造，另一方面，過程中，一方面鐵磁晶體重新形成磁構(gòu)造，另一方面，會由于材料內(nèi)部的各種不均

44、勻性（如形狀，結(jié)構(gòu)及含會由于材料內(nèi)部的各種不均勻性（如形狀，結(jié)構(gòu)及含有夾雜或缺陷等）而形成組織結(jié)構(gòu)不均勻的遺傳性。有夾雜或缺陷等）而形成組織結(jié)構(gòu)不均勻的遺傳性。這些組織結(jié)構(gòu)的不均勻部位往往是缺陷或應力集中的這些組織結(jié)構(gòu)的不均勻部位往往是缺陷或應力集中的部位，一般以位錯的形式存在，并在地球磁場的環(huán)境部位，一般以位錯的形式存在，并在地球磁場的環(huán)境中由于磁機械效應的作用會出現(xiàn)磁疇的固定節(jié)點，產(chǎn)中由于磁機械效應的作用會出現(xiàn)磁疇的固定節(jié)點，產(chǎn)生磁極，形成退磁場，以微弱的漏磁場形式在工件表生磁極，形成退磁場，以微弱的漏磁場形式在工件表面出現(xiàn)，表現(xiàn)為金屬磁記憶。面出現(xiàn)，表現(xiàn)為金屬磁記憶。 三、金屬磁記憶現(xiàn)象

45、能量平衡解說三、金屬磁記憶現(xiàn)象能量平衡解說鐵磁體內(nèi)存在的相互作用能量決定著鐵磁性物質(zhì)中磁疇鐵磁體內(nèi)存在的相互作用能量決定著鐵磁性物質(zhì)中磁疇的形成。在外磁場作用下，鐵磁體受外應力或者本來存的形成。在外磁場作用下，鐵磁體受外應力或者本來存在的內(nèi)應力作用，由于其處于穩(wěn)定狀態(tài)，故內(nèi)部的相互在的內(nèi)應力作用，由于其處于穩(wěn)定狀態(tài)，故內(nèi)部的相互作用能量可表述為：作用能量可表述為： （1）在外磁場作用下鐵磁體增加的自由能等于磁化功，由于在外磁場作用下鐵磁體增加的自由能等于磁化功，由于任何鐵磁晶體在磁化特性上都顯示各向異性，表現(xiàn)為磁任何鐵磁晶體在磁化特性上都顯示各向異性，表現(xiàn)為磁晶各向異性能，晶體的這部分自由能與

46、磁化方向有關，晶各向異性能，晶體的這部分自由能與磁化方向有關，以立方晶系為例，以立方晶系為例， （2）K1, K2為各向異性常數(shù)，為各向異性常數(shù)，a1, a2, a3為磁化方向與三個晶軸為磁化方向與三個晶軸間的夾角，它是在假設磁晶體無任何形變情形下，由于間的夾角，它是在假設磁晶體無任何形變情形下，由于磁化強度矢量離開易磁化軸方向而增加的自由能部分。磁化強度矢量離開易磁化軸方向而增加的自由能部分。EEEEEelmsk23222122123232222211kE 當磁化強度矢量離開易磁化軸方向或鐵磁體受到彈性當磁化強度矢量離開易磁化軸方向或鐵磁體受到彈性應力時，鐵磁體不但發(fā)生彈性形變還會發(fā)生磁致伸

47、縮應力時，鐵磁體不但發(fā)生彈性形變還會發(fā)生磁致伸縮性質(zhì)的形變，這部分由磁致伸縮而產(chǎn)生的形變能稱為性質(zhì)的形變，這部分由磁致伸縮而產(chǎn)生的形變能稱為磁彈性能，如立方晶系的磁彈性能為磁彈性能，如立方晶系的磁彈性能為 （3） B1, B2為磁化與形變相互作用的磁彈性耦合系數(shù)，為磁化與形變相互作用的磁彈性耦合系數(shù)，ai, aj為磁化方向與各晶軸間的夾角余弦，為磁化方向與各晶軸間的夾角余弦，eii, eij為形變分量為形變分量（i, j=x, y, z）即沿各軸的拉伸應變。）即沿各軸的拉伸應變。 根據(jù)彈性力學，當把晶體看成無磁性時，晶體內(nèi)原子根據(jù)彈性力學，當把晶體看成無磁性時，晶體內(nèi)原子位置發(fā)生變化產(chǎn)生彈性形

48、變，這部分形變能表現(xiàn)為晶位置發(fā)生變化產(chǎn)生彈性形變，這部分形變能表現(xiàn)為晶體的彈性能體的彈性能 （4） Exx, Eyy, Ezz, Exy, Eyz, Ezx 為形變的為形變的6個分量，沿個分量，沿x, y, z軸的拉伸應變軸的拉伸應變C11, C44, C12為彈性模量。為彈性模量。jjiiijiiimseeE22i1231xxzzzzyyyyxxzxyzxyzzyyxxeleeeeeeCeeeCeeeCE122224422211221 若對鐵磁構(gòu)件施加載荷，動態(tài)應力的存在會使物若對鐵磁構(gòu)件施加載荷，動態(tài)應力的存在會使物體產(chǎn)生應變，從而使構(gòu)件內(nèi)部的位錯沿由位錯線體產(chǎn)生應變，從而使構(gòu)件內(nèi)部的位錯

49、沿由位錯線與伯格斯矢量所確定的滑移面產(chǎn)生滑移運動，且與伯格斯矢量所確定的滑移面產(chǎn)生滑移運動，且在滑移過程中要克服晶格點陣阻力以及與雜質(zhì)或在滑移過程中要克服晶格點陣阻力以及與雜質(zhì)或缺陷之間的交互作用力從而引起晶體位錯密度的缺陷之間的交互作用力從而引起晶體位錯密度的增加，即位錯的增殖，產(chǎn)生很高的應力能，形成增加，即位錯的增殖，產(chǎn)生很高的應力能，形成應力集中區(qū)應力集中區(qū)44。應力集中區(qū)的應力能大小與動。應力集中區(qū)的應力能大小與動態(tài)應力的大小、作用時間及頻率有關，例如各向態(tài)應力的大小、作用時間及頻率有關，例如各向同性磁致伸縮材料的應力能為同性磁致伸縮材料的應力能為 （5） 式中式中s為應力，為應力，l

50、s為磁致伸縮系數(shù)，為磁致伸縮系數(shù)，q為應力方向為應力方向與磁化強度矢量之間的夾角。與磁化強度矢量之間的夾角。2scos23E根據(jù)根據(jù)“實際存在的狀態(tài)必然是能量最小狀態(tài)實際存在的狀態(tài)必然是能量最小狀態(tài)”的原則，由的原則，由（1 1）式可以看出）式可以看出要達能量最小狀態(tài)只能通過減小應力能和要達能量最小狀態(tài)只能通過減小應力能和磁彈性能來實現(xiàn)，磁彈性能來實現(xiàn)，又由（又由（5 5）式可知）式可知改變磁化強度矢量的方改變磁化強度矢量的方向可減小應力能向可減小應力能。當鐵磁體受到彈性應力作用后，對于各向同性材料，當鐵磁體受到彈性應力作用后，對于各向同性材料，磁致伸磁致伸縮系數(shù)縮系數(shù)s s為正時，疇壁趨向平

51、行于張力的方向；為正時，疇壁趨向平行于張力的方向；s s為負時，趨為負時，趨向垂直于張力方向，即鐵磁體磁化強度會在應力作用下被迫向垂直于張力方向，即鐵磁體磁化強度會在應力作用下被迫改變方向從而減小應力能。改變方向從而減小應力能。但彈性應力或殘余應力會使應力能增加，根據(jù)磁機械效應機但彈性應力或殘余應力會使應力能增加，根據(jù)磁機械效應機理可知，由于磁機械效應的作用引起構(gòu)件內(nèi)部的磁疇在地球理可知，由于磁機械效應的作用引起構(gòu)件內(nèi)部的磁疇在地球磁場中作疇壁位移甚至不可逆的重新取向排列，用以增加磁磁場中作疇壁位移甚至不可逆的重新取向排列，用以增加磁彈性能的形式來抵消應力能的增加，從而鐵磁構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生彈性能的

52、形式來抵消應力能的增加，從而鐵磁構(gòu)件內(nèi)部產(chǎn)生大大高于地球磁場強度的磁場強度，使鐵磁質(zhì)的總能量處于大大高于地球磁場強度的磁場強度，使鐵磁質(zhì)的總能量處于最低狀態(tài)。最低狀態(tài)。 由于鐵磁材料存在多種內(nèi)耗效應，加載時在材料內(nèi)部形由于鐵磁材料存在多種內(nèi)耗效應，加載時在材料內(nèi)部形成的應力集中區(qū)會得以保留下來，保留下來的應力集中區(qū)具成的應力集中區(qū)會得以保留下來，保留下來的應力集中區(qū)具有較高的應力能，為抵消應力能引發(fā)的組織重新取向也保留有較高的應力能，為抵消應力能引發(fā)的組織重新取向也保留下來，并在應力集中區(qū)形成類似缺陷的漏磁場分布形式，即下來，并在應力集中區(qū)形成類似缺陷的漏磁場分布形式，即磁場的切向分量有最大值

53、，法向分量過零點。磁場的切向分量有最大值，法向分量過零點。四、金屬磁記憶檢測原理及檢測儀四、金屬磁記憶檢測原理及檢測儀 1、檢測原理、檢測原理由金屬磁記憶效應可知，當鐵磁性金屬零件在加工和運行時，由于由金屬磁記憶效應可知，當鐵磁性金屬零件在加工和運行時，由于受載荷和地磁場共同作用會產(chǎn)生疲勞、蠕變形成微裂紋，在應力集受載荷和地磁場共同作用會產(chǎn)生疲勞、蠕變形成微裂紋，在應力集中區(qū)會發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇定向和不可逆的重新取向。這中區(qū)會發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇定向和不可逆的重新取向。這種磁狀態(tài)的不可逆變化，在工作載荷消除后不僅會保留，還與曾經(jīng)種磁狀態(tài)的不可逆變化，在工作載荷消除后不僅會保留，還

54、與曾經(jīng)有過的最大作用應力有關，金屬構(gòu)件表面的這種剩磁狀態(tài)記憶著微有過的最大作用應力有關，金屬構(gòu)件表面的這種剩磁狀態(tài)記憶著微觀缺陷或應力集中的位置。理論與實踐研究證明，在部件缺陷或應觀缺陷或應力集中的位置。理論與實踐研究證明，在部件缺陷或應力集中區(qū)域磁場的切向分量力集中區(qū)域磁場的切向分量Hp(x)具有最大值，且法向分量具有最大值，且法向分量Hp(y)改改變符號具有零值（圖變符號具有零值（圖2）。實踐中，一般通過檢測法向分量）。實踐中，一般通過檢測法向分量Hp(y)來來完成部件的檢測完成部件的檢測4, 。在量值方面動力診斷公司首先提出漏磁場磁場強度為：在量值方面動力診斷公司首先提出漏磁場磁場強度為

55、： （6）0HpHCHBHH0其中為磁彈性效應的不可逆分量，其中為磁彈性效應的不可逆分量，BH為殘余磁感應強度，為外磁場強為殘余磁感應強度，為外磁場強度，是該環(huán)境下的特定常量，式中度，是該環(huán)境下的特定常量，式中m0=410-7為真空磁導率。為真空磁導率。金屬磁記憶的優(yōu)缺點金屬磁記憶的優(yōu)缺點 金屬磁記憶檢測方法的優(yōu)點是不需要采用專門的磁化裝金屬磁記憶檢測方法的優(yōu)點是不需要采用專門的磁化裝置，而是利用構(gòu)件的自發(fā)磁化現(xiàn)象；不需要對構(gòu)件表面置，而是利用構(gòu)件的自發(fā)磁化現(xiàn)象；不需要對構(gòu)件表面進行專門的清理，可保持零部件在原始狀態(tài)下進行檢測；進行專門的清理，可保持零部件在原始狀態(tài)下進行檢測；探頭提離效應小，

56、采用傳感器探測時可離開金屬表面探頭提離效應小，采用傳感器探測時可離開金屬表面（提離幾毫米甚至幾十毫米對檢測結(jié)果影響不大），是（提離幾毫米甚至幾十毫米對檢測結(jié)果影響不大），是目前唯一能以目前唯一能以1mm1mm精度確定應力集中區(qū)的方法；不需要精度確定應力集中區(qū)的方法；不需要采用耦合技術(shù)，添加耦合劑，特別適合野外操作；與其采用耦合技術(shù)，添加耦合劑，特別適合野外操作；與其它磁檢測法相比，它可快速準確測定應力集中區(qū)它磁檢測法相比，它可快速準確測定應力集中區(qū)（100m/h100m/h），且檢測靈敏度高。），且檢測靈敏度高。 其缺點是它是一種弱磁信號檢測方法，信號易于受干擾，其缺點是它是一種弱磁信號檢測方

57、法，信號易于受干擾，如材質(zhì)、缺陷大小和種類、外激勵或殘余磁場的大小和如材質(zhì)、缺陷大小和種類、外激勵或殘余磁場的大小和方向以及表面粗糙程度。檢測時只能發(fā)現(xiàn)缺陷可能出現(xiàn)方向以及表面粗糙程度。檢測時只能發(fā)現(xiàn)缺陷可能出現(xiàn)的危險部位，尚不能對缺陷的形狀、大小及性質(zhì)進行定的危險部位，尚不能對缺陷的形狀、大小及性質(zhì)進行定性定量的具體分析。性定量的具體分析。 金屬磁記憶檢測技術(shù)的不完善性金屬磁記憶檢測技術(shù)的不完善性 1 1、金屬磁記憶這一現(xiàn)象，物理基礎很明確，且存在從電金屬磁記憶這一現(xiàn)象，物理基礎很明確，且存在從電磁學角度出發(fā)的電磁感應學說以及基于鐵磁學基本理論磁學角度出發(fā)的電磁感應學說以及基于鐵磁學基本理論

58、的能量平衡說等（其中能量學說是比較受關注的理論），的能量平衡說等（其中能量學說是比較受關注的理論），但至今還未建立令人滿意的鐵磁構(gòu)件內(nèi)部殘余應力與表但至今還未建立令人滿意的鐵磁構(gòu)件內(nèi)部殘余應力與表面漏磁場之間的對應關系，所以需要加強基礎理論研究。面漏磁場之間的對應關系，所以需要加強基礎理論研究。如最近周俊華等如最近周俊華等 ，從鐵磁性的唯象理論出發(fā)，利用近似，從鐵磁性的唯象理論出發(fā)，利用近似的分子場，得到了受力金屬桿件有效場表達式，對磁致的分子場，得到了受力金屬桿件有效場表達式，對磁致伸縮為正的鐵磁體材料在應力集中處漏磁場切向分量出伸縮為正的鐵磁體材料在應力集中處漏磁場切向分量出現(xiàn)最大值、同時

59、法向分量為零值的現(xiàn)象給出了理論解釋，現(xiàn)最大值、同時法向分量為零值的現(xiàn)象給出了理論解釋，為磁記憶研究提供了一定的理論依據(jù)。為磁記憶研究提供了一定的理論依據(jù)。 2 2、影響磁記憶信號的因素很多，如材質(zhì)、表面粗糙程度、影響磁記憶信號的因素很多，如材質(zhì)、表面粗糙程度、外激勵或殘余應力場的大小和方向等，需要我們確定各外激勵或殘余應力場的大小和方向等，需要我們確定各種因素的主次關系。要建立特定條件下部件磁記憶信號種因素的主次關系。要建立特定條件下部件磁記憶信號和應力、變形集中區(qū)的對應關系來制定評判應力和變形和應力、變形集中區(qū)的對應關系來制定評判應力和變形集中區(qū)的技術(shù)標準。集中區(qū)的技術(shù)標準。 3 3、初始狀

60、態(tài)的過零點不能表征工件潛在危險部位。在初始狀態(tài)的過零點不能表征工件潛在危險部位。在磁記憶信號的過零點、幅度和梯度值隨應力動態(tài)變化磁記憶信號的過零點、幅度和梯度值隨應力動態(tài)變化情況的研究有所欠缺。沈功田、陳玉玲等對磁記憶信情況的研究有所欠缺。沈功田、陳玉玲等對磁記憶信號幅度和梯度隨應力動態(tài)變化情況進行了研究，但對號幅度和梯度隨應力動態(tài)變化情況進行了研究，但對在小區(qū)域應力釋放時磁記憶信號的幅度值為何會出現(xiàn)在小區(qū)域應力釋放時磁記憶信號的幅度值為何會出現(xiàn)下降和上升的振蕩還無合理的解釋。下降和上升的振蕩還無合理的解釋。 4 4、鐵磁性材料塑性形變后漏磁信號的變化，雖然已有鐵磁性材料塑性形變后漏磁信號的變