CN106932420B - 一种测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法 - Google Patents

一种测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法，所述的方法使用中子光源、测角台和探测器形成的衍射实验几何布局，测量磁场施加前后样品在全部空间方向范围内的所有晶面变化，实现了任意方向上磁致应变分布的非接触式准确测量。中子光源入射束、测角台、样品、出射束和探测器中心均处于同一水平高度，通过测角台的自转和旋转调节样品特定空间方向，并在该方向下测量样品内所有晶面，分别得到每个晶面排布取向的权重份额和磁致应变贡献，将两者加权相乘得到任意空间方向上的磁致应变值。本发明的方法适用于具有强磁弹性能软磁智能材料的磁致应变测量，也可类推用于包括压电式智能材料电致应变在内的其它物理场诱发应变等空间分布的测量。

Description

一种测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法
技术领域
本发明属于材料物理性能分析检测技术领域，具体涉及一种测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法。
背景技术
受磁驱动而产生应力应变的磁弹材料是一类重要的智能材料。作为高效换能器、大载荷致动器及高精度传感器等核心元器件的候选材料之一，在国防军工、航空航天、海洋工程、精密加工、自动控制等高新技术领域均有广泛应用。因此，这类新型智能材料引起世界范围内的关注，许多国家投入大量技术力量竞相进行材料和器件研发。材料性能测试是掌握材料功效行为和器件设计开发的重要基础。因而，磁致应变分布测量是各个研究环节的重要一环。目前磁致应变测量有光学（干涉法、光杠杆法）和电学（电阻法、电容法）两种方法。迈克尔干涉法根据被测试样伸长或缩短引起干涉条纹在视场中的移动数目来测量确定磁致应变。光杠杆法在干涉法相似测量布局基础上结合机械杠杆将微位移放大。电阻应变片法利用粘贴在被测试样表面的应变片和放大电路测得应变片敏感栅电阻大小推导求得微小位移变化。差动电容法则利用被测试样伸缩导致两侧电容分别变大与变小的差动式、振荡变化测量应变大小。上述方法中，干涉法、光杠杆法和电容法均仅适于测量试样一个维度方向（如试样长度方向）的磁致应变。电阻法可借助粘贴应变片数量和布局实现试样不同维度方向上（如试样长度和垂直长度方向）的应变测量。然而，由于需通过样品表面粘贴应变片的方式，电阻法并不适于测量样品内部任意方向上的应变大小。
从材料晶体学角度，不同的晶体结构对称性均会导致材料物理性能的各向异性。因此，很有必要掌握磁弹功能材料内部不同方向上磁致应变大小的分布信息，以促进新型材料的开发和潜在应用的挖掘。在目前已有磁致应变测量方法存在测量方向受限、易受样品表面状态和测量环境影响等缺点的技术背景下，实现材料内部磁致应变三维空间分布的可靠准确的测量方法十分必要，是充分理解材料性能的基础前提。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法。
本发明的测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法，其特点是，所述的方法中采用的测量设备及其连接关系如下：测角台放置在承重台上，自旋盘安装在测角台的旋转圆内圈，沿旋转圆内圈旋转，自旋盘的上部从下至上依次固定样品杆、磁场N极、样品和磁场S极，样品杆、磁场N极、样品和磁场S极的中心线重合，在自旋盘自转和自旋盘沿旋转圆内圈旋转的过程中，样品所处的磁场方向始终保持与样品的长轴平行；在中子光源、测角台和探测器形成的衍射实验几何布局下测量样品的内部磁致应变三维空间分布。
所述的方法包括以下步骤：
a. 衍射实验几何布局
中子光源和探测器在测角台两侧对称布置，中子光源的中心、测角台的中心和探测器的中心位于同一水平高度；
b. 样品安装
将样品固定在磁场N极和磁场S极形成的磁场均匀区内，并将样品的方位角和调节至归零状态；
c. 零磁场下测量
在磁场关闭状态下，对样品在全部空间方向范围内所有的晶面进行测量；
d. 磁场下测量
在磁场开启状态下，对样品在全部空间方向范围内所有的晶面进行测量；
e. 数据处理
对步骤c和步骤d测量得到的所有衍射峰信号进行背底扣除和拟合分析，根据积分强度得到某空间方向下每个晶面的权重份额，同时通过比较零磁场和施加磁场下测得的衍射峰位置变化得到某空间方向下每个晶面的磁致应变贡献；
f. 测量完成
将每个晶面的权重份额和磁致应变贡献加权相乘得到任意空间方向上的磁致应变值，并绘制出样品内部磁致应变三维空间分布图。
步骤b中，所述的磁场为永磁体或电磁铁中的一种。
本发明的测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法，使用中子光源、测角台和探测器形成的衍射实验几何布局，测量磁场施加前后样品在全部空间方向范围内的所有晶面变化，实现了任意方向上磁致应变分布的非接触式准确测量。使中子光源入射束、测角台、样品、出射束和探测器中心均处于同一水平高度，通过测角台的自转和旋转调节样品特定空间方向，并在该方向下扫描测量样品内所有晶面，分别得到每个晶面的权重份额和磁致应变贡献，将两者加权相乘得到任意空间方向上的磁致应变值。
本发明的测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法，适用于具有强磁弹性能的软磁智能材料的磁致应变测量，也可类推用于包括压电式智能材料电致应变在内的其它物理场诱发应变等空间分布的测量，解决了现有磁致应变测量方法的测量方向局限单一、测量精度易受样品状态影响等问题。
附图说明
图1为本发明的测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法的衍射实验几何布局结构示意图；
图2为本发明的测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法中的样品三维空间定义示意图；
图3为本发明的测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法的工作流程图；
图中，1.测角台 2.承重台 3.自旋盘 4.样品杆 5.磁场N极 6. 样品 7.磁场S极 8.旋转圆 9.中子光源 10.入射束 11.出射束 12.探测器。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法的衍射实验几何布局如下：测角台1放置在承重台2上，自旋盘3安装在测角台1的旋转圆8内圈，沿旋转圆8内圈旋转，自旋盘3的上部从下至上依次固定样品杆4、磁场N极5、样品6和磁场S极7，样品杆4、磁场N极5、样品6和磁场S极7的中心线重合，在自旋盘3自转和自旋盘3沿旋转圆8内圈旋转的过程中，样品6所处的磁场方向始终保持与样品6的长轴平行；中子光源9和探测器12在测角台1两侧对称布置，中子光源9的中心、测角台1的中心和探测器12的中心位于同一水平高度。磁场为永磁体或电磁铁。
样品6的方位角和如图2所示。
实施例1：
如图3所示，本发明的测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法的具体步骤如下：
a. 几何布局
将测量方位角用的测角台1安装固定在已清空复位的承重台2上，自旋盘3安装在旋转圆8并将其自转和旋转角均归零位。中子光源9和探测器12分别位于测角台1的两侧，且中子光源9、探测器12的中心分别于旋转圆8的圆心的连线之间夹角的角平分线与测角台1垂直圆面平行。
b. 样品安装
将样品杆4固定在自旋盘3上，样品6安装固定在磁场N极5和磁场S极7形成的磁场均匀区内，并一起安装在样品杆4上。调节样品杆4位置，使样品6的中心部位处于旋转圆8的圆心。通过操作自旋盘3将样品6的初始状态调节至和两个方位角均为零，即为竖直安装状态。
c. 零磁场下测量
使磁场N极5和磁场S极7形成的磁场处于关闭状态，即样品6位于零磁场区域。通过使探测器12绕承重台1的Z轴旋转选择样品6的第i个测量晶面(hkl) i ，(hkl) i 为该晶面的晶面指数。此时，中子光源9发出的入射束10和经过样品的出射束11之间夹角达到与该晶面唯一对应的角度值2q hkl,i 。通过承重台1的自转，使之处于2q hkl,i 角的角平分线上。将入射束10和出射束11尺寸限定至两束交汇区域始终在样品6的内部，保持探测器12接收的衍射峰信号均为来自样品6。在该几何布局下，通过自旋盘3的自转和自旋盘3沿着旋转圆8的内圈旋转调节和两个方位角，每间隔一定角度下进行测量，直至在0~90°和在0~360°范围（按样品对称性，认为已经覆盖全部空间方向）均测量完毕。
按上述步骤选择第n个测量晶面(hkl) n 。在该布局下，对和两个方位角间隔取值进行测量，直至在0~90°和Y在0~360°范围均测量完毕。
如此循环，直至所有测量晶面均测量完毕。
d. 磁场下测量
使磁场N极5和磁场S极7形成的磁场处于开启状态，即样品6位于磁场大小为H的均匀区域。重复零磁场下测量步骤，直至所有测量晶面在全部空间方向范围内测量完毕。
e. 数据处理
上述测量中，在空间方向下对晶面(hkl) i 进行单次测量均可得到在该空间方向取向排列的晶面对应的衍射峰信号。对该信号进行背底扣除和拟合分析后，可得到衍射峰的积分强度I hkl,i 和峰位置2q hkl,i 。积分强度I hkl,i 和参数S hkl,i 、该取向晶面含量V hkl,i 有关，即：
I hkl,i = S hkl,i •V hkl,i ……………………………………………………(1)
定义C hkl,i 为S hkl,i 的倒数，则式(1)变为：
V hkl,i = C hkl,i •I hkl,i …………………………………………(2)
于是，在空间方向下，晶面(hkl) i 取向所占权重份额为ν hkl,i ：
……………………………………(3)
参数S hkl,i 与材料结构、晶面和测量几何布局有关。在样品材料已知和测量几何布局固定的情况下，可通过查资料即知参数S hkl,i 。这样，式(3)中的C hkl,i 亦为已知常数。
考虑到材料内部晶粒取向状态不会因施加磁场而改变，根据零磁场下测量数据，结合式(3)即可得到空间方向下晶面(hkl) i 取向所占权重份额。在该空间方向下，通过比较零磁场和磁场H下测量分析得到的晶面(hkl) i 衍射峰位置的变化，即可得到该晶面的磁致应变贡献λ hkl,i ：
……………………………(4)
考虑权重效应后，空间方向下的磁致应变λ 为：
…(5)
f. 测量完成
根据零磁场和磁场下所有测量数据，结合式(5)得到样品6内部任意空间方向上的磁致应变大小，据此绘制出样品6内部磁致应变三维空间分布图。
本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法，其特征在于：所述的方法中采用的测量设备及其连接关系如下：测角台（1）放置在承重台（2）上，自旋盘（3）安装在测角台（1）的旋转圆（8）内圈，沿旋转圆（8）内圈旋转；自旋盘（3）的上部从下至上依次固定样品杆（4）、磁场N极（5）、样品（6）和磁场S极（7），样品杆（4）、磁场N极（5）、样品（6）和磁场S极（7）的中心线重合；在自旋盘（3）自转和自旋盘（3）沿旋转圆（8）内圈旋转的过程中，样品（6）所处的磁场方向始终保持与样品（6）的长轴平行；在中子光源（9）、测角台（1）和探测器（12）形成的衍射实验几何布局下测量样品（6）的内部磁致应变三维空间分布；
所述的方法包括以下步骤：
a. 衍射实验几何布局
中子光源（9）和探测器（12）在测角台（1）两侧对称布置，中子光源（9）的中心、测角台（1）的中心和探测器（12）的中心位于同一水平高度；
b. 样品安装
将样品（6）固定在磁场N极（5）和磁场S极（7）形成的磁场均匀区内，并将样品（6）的方位角和调节至归零状态；
c. 零磁场下测量
在磁场关闭状态下，对样品（6）在全部空间方向范围内所有的晶面进行测量；
d. 磁场下测量
在磁场开启状态下，对样品（6）在全部空间方向范围内所有的晶面进行测量；
e. 数据处理
对步骤c和步骤d测量得到的所有衍射峰信号进行背底扣除和拟合分析，根据积分强度得到某空间方向下每个晶面的权重份额，同时通过比较零磁场和施加磁场下测得的衍射峰位置变化得到某空间方向下每个晶面的磁致应变贡献；
f. 测量完成
将每个晶面的权重份额和磁致应变贡献加权相乘得到任意空间方向上的磁致应变值，并绘制出样品内部磁致应变三维空间分布图。
2.根据权利要求1所述的测量材料内部磁致应变三维空间分布的方法，其特征在于：步骤b中，所述的磁场为永磁体或电磁铁中的一种。
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