CN108760788B - 一种原位力-磁耦合实验装置和实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位力‑磁耦合实验装置和实验方法。该实验装置的磁场施加装置内置于应力加载装置的结构，分别通过两端夹具和两个磁回路对样品杆进行力‑磁耦合加载，同时通过对称式测量几何布局进行原位力‑磁耦合实验测量。该实验方法根据样品杆形状选取磁场施加装置组装方式，通过布局角度调节射线源和探测器在应力加载装置两侧的对称分布布局，在该对称式测量几何布局下，分别通过应力加载装置和磁场施加装置对样品杆同步进行应力和磁场加载，同时通过探测器收集来自样品杆的射线信号。该实验装置具有小型化、布局灵活的优点，该实验方法适用于铁磁材料宏观性能响应和内部微观结构演化的实时探测。
Description
技术领域
本发明属于材料物理性能分析测试技术领域，具体涉及一种原位力-磁耦合实验装置和实验方法。
背景技术
在外磁场中具有应力-应变响应的软铁磁性智能材料，可用于制作换能器、制动器等元器件并广泛应用于国防军工、海洋工程、精密控制等领域。此类智能材料具有磁性与力学相互耦合的效应，其性能往往对磁场和应力均有依赖性。因此，力-磁耦合实验通常借助于体积庞大的磁场与应力施加装置，并在材料表面粘贴上应变片等传感器，对材料在外磁场、应力或两者同时施加情况下的性能变化进行测试。基于这些测量数据，可以了解材料的性能指标水平。但是，仅掌握上述性能测试数据并不能充分支持材料设计开发。从这个角度，还必需建立结构与性能两者之间的关系，即在性能测试的同时对材料内部各层次结构信息进行分析。然而，目前报道的实验方法通常为离线式测量，即性能测试与结构分析两部分实验分开独立进行。譬如，采用光学、扫描电镜和磁力显微术对块体样品光洁表面进行测试以观测材料微观组织形貌；通过常规X射线衍射对粉体样品或块体样品光洁表面进行测试以获知材料物相结构；基于透射电子显微镜对经特定制样工序减薄至微米厚度的样品以测定原子排布等纳米尺度结构。上述方法均需要破坏性取样和特定工艺制样且侧重于结构分析，无法构建性能与结构之间的直接联系。随着先进中子源和高能X射线等技术发展，各种原位实验方法得以建立以实现温度、应力或多场耦合下直接对块体材料进行测试。然而，目前并未见原位力-磁耦合实验方法和装置的相关报道。前述的力-磁耦合实验系统亦由于体积和重量过于庞大、测量布局相对固化等原因而不适用于原位测试。
综上所述，在目前缺乏原位力-磁耦合实验方法与装置的技术现状下，有必要解决力-磁耦合实验装置小型化和布局灵活性等问题，建立可直接对块体铁磁材料性能与结构同时进行测试分析的技术。
发明内容
本发明所要解决的一个技术问题是提供一种原位力-磁耦合实验装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种原位力-磁耦合实验方法。
本发明的原位力-磁耦合实验装置，其特点是，所述的实验装置包括应力加载装置和磁场施加装置，所述的应力加载装置放置在承重台上，磁场施加装置放置在应力加载装置的底板上；磁场施加装置包括励磁线圈和轭铁，轭铁有2个，左右竖直对称布置，2个励磁线圈分别穿过轭铁的上下两个限位孔水平装卡在2个轭铁的中间；样品杆水平穿过磁场施加装置的2个轭铁中间的样品孔，样品杆的两端伸入到应力加载装置的夹具上；样品杆和磁场施加装置的两个励磁线圈分别形成两个磁回路，内部的磁力线均通过样品杆；将射线源和探测器分别布置于应力加载装置的两侧呈对称式测量几何布局，布局角度为θ；射线源的中心、样品杆的中心和探测器的中心三者处于同一水平高度，应力加载装置的中心和承重台的中心重合。
所述的励磁线圈与轭铁之间通过螺钉固定。
所述的样品孔的形状为圆形或矩形。
本发明的原位力-磁耦合实验方法包括以下步骤：
a. 装置安装
将应力加载装置安放在承重台上，磁场施加装置安装到应力加载装置的底板上，样品杆穿过轭铁的样品孔安装到夹具上；
b. 测量几何布局
将射线源和探测器分别布置于应力加载装置的两侧呈对称式测量几何布局，布局角度为θ，使射线源的中心、样品杆的中心和探测器的中心三者处于同一水平高度；
c. 力-磁耦合加载
通过应力加载装置的夹具运动使样品杆处于受力状态，同时通过磁场施加装置的励磁线圈对样品杆施加磁场；
d. 原位实验测量
确定布局角度θ，按照预先确定的力-磁耦合加载方案，在力-磁耦合加载状态下同时通过探测器收集来自样品杆的射线信号，并传输至计算机储存；
e. 测量完成
改变布局角度θ，重复步骤d，直至全部布局角度测量完成，关闭各装置电源并对测试现场整理归位。
本发明的原位力-磁耦合实验装置和实验方法，采用磁场施加装置内置于应力加载装置的结构，分别通过两端夹具和两个磁回路对样品杆进行力-磁耦合加载，同时通过对称式测量几何布局进行原位力-磁耦合实验测量。根据测量样品形状选取磁场施加装置组装方式，通过布局角度调节射线源和探测器在应力加载装置两侧对称分布的具体布局。在该对称式测量几何布局下，分别通过应力加载装置和磁场施加装置对样品杆同步进行应力和磁场加载；在力-磁耦合加载状态下，同时通过探测器收集来自样品杆的射线信号。
本发明的原位力-磁耦合实验装置和实验方法，解决了现有力-磁耦合实验装置小型化和布局灵活性等问题，适用于外磁场和应力同时施加条件下块体铁磁材料宏观性能响应和内部微观结构演化过程的实时探测，进而有利于促进铁磁性材料智能行为机理深入认识和新型材料设计开发。
附图说明
图1为本发明的原位力-磁耦合实验装置的结构示意图；
图2为本发明的原位力-磁耦合实验方法的对称式测量几何布局示意图；
图中，1.应力加载装置 2.承重台 3.磁场施加装置 4.支柱 5.底板 6.轭铁 7.样品孔 8.夹具 9.样品杆 10.励磁线圈 11.冷却铜管 12.磁力线 13.射线源 14.入射束15.出射束 16.探测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的原位力-磁耦合实验装置包括应力加载装置1和磁场施加装置3，所述的应力加载装置1放置在承重台2上，磁场施加装置3放置在应力加载装置1的底板5上；磁场施加装置3包括励磁线圈10和轭铁6，轭铁6有2个，左右竖直对称布置，2个励磁线圈10分别穿过轭铁6的上下两个限位孔水平装卡在2个轭铁6的中间；样品杆9水平穿过磁场施加装置3的2个轭铁6中间的样品孔7，样品杆9的两端伸入到应力加载装置1的夹具8上；样品杆9和磁场施加装置3的两个励磁线圈10分别形成两个磁回路，内部的磁力线12均通过样品杆9；如图2所示，将射线源13和探测器16分别布置于应力加载装置1的两侧呈对称式测量几何布局，布局角度为θ；射线源13的中心、样品杆9的中心和探测器16的中心三者处于同一水平高度，应力加载装置1的中心和承重台2的中心重合。
所述的励磁线圈10与轭铁6之间通过螺钉固定。
所述的样品孔7的形状为圆形或矩形。
实施例1
本实施例的样品杆形状为截面圆形的长杆，样品孔7的形状为圆形。
本实施例的原位力-磁耦合实验方法的具体实施步骤如下：
a. 装置安装
将应力加载装置1安放在承重台2上，保证两者中心轴线重合。然后，将磁场施加装置3通过支柱4安装到应力加载装置1的底板5上，将样品杆9水平穿过轭铁6的样品孔7。通过旋动支柱4调节样品孔7的高度位置，使之与夹具8的中心高度一致后，将样品杆9的两端分别伸入安装到夹具8上。
b. 测量几何布局
将射线源13和探测器16分别布置于应力加载装置1的两侧呈对称式测量几何布局。此时，入射束14、出射束15分别与样品杆9形成的布局角度θ相等。使射线源13的中心、样品杆9的中心和探测器16的中心三者处于同一水平高度，并使应力加载装置1的中心和承重台2的中心重合。
c. 力-磁耦合加载
通过驱动夹具8运动使样品杆9处于受力预紧状态。将套在励磁线圈10上的冷却铜管11接通冷却水后，接通励磁线圈10的电源。此时，样品杆9和磁场施加装置3的励磁线圈10分别形成两个磁回路，内部的磁力线12均通过样品杆9。这样，样品杆9就处于同轴力-磁耦合加载状态。
d. 原位实验测量
确定布局角度θ，通过应力加载装置1的夹具8对样品杆9进行应力加载，并通过磁场施加装置3的励磁线圈10对样品杆9进行磁场加载。按照预先确定的力-磁耦合加载方案，在力-磁耦合加载状态下，同时通过探测器16收集来自样品杆9的射线信号，并传输至计算机储存。信号收集完毕后，继续下一个力-磁耦合加载状态，如此重复进行。
e. 测量完成
改变布局角度θ，重复步骤d，直至全部布局角度测量完成。通过驱动夹具8运动使样品杆9处于不受力松开状态。然后，关闭射线源13、探测器16、应力加载装置1、磁场施加装置3的电源以及通入冷却铜管11的冷却水源。将磁场施加装置3和应力加载装置1依次卸下，并对测试现场整理归位。
实施例2
本实施例的样品杆形状为截面矩形的长杆，样品孔7的形状为矩形。
松开固定励磁线圈10与轭铁6之间的螺钉，将轭铁6更换为样品孔7为矩形的轭铁6后，再固定励磁线圈10与轭铁6之间的螺钉，之后按照实施例1的实施方式继续完成本实施例的测量工作。
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 (4)
1.一种原位力-磁耦合实验装置，其特征在于：所述的实验装置包括应力加载装置（1）和磁场施加装置（3），所述的应力加载装置（1）放置在承重台（2）上，磁场施加装置（3）放置在应力加载装置（1）的底板（5）上；磁场施加装置（3）包括励磁线圈（10）和轭铁（6），轭铁（6）有2个，左右竖直对称布置，2个励磁线圈（10）分别穿过轭铁（6）的上下两个限位孔水平装卡在2个轭铁（6）的中间；样品杆（9）水平穿过磁场施加装置（3）的2个轭铁（6）中间的样品孔（7），样品杆（9）的两端伸入到应力加载装置（1）的夹具（8）上；样品杆（9）和磁场施加装置（3）的两个励磁线圈（10）分别形成两个磁回路，内部的磁力线（12）均通过样品杆（9）；将射线源（13）和探测器（16）分别布置于应力加载装置（1）的两侧呈对称式测量几何布局，布局角度为θ；射线源（13）的中心、样品杆（9）的中心和探测器（16）的中心三者处于同一水平高度，应力加载装置（1）的中心和承重台（2）的中心重合。
2.根据权利要求1所述的原位力-磁耦合实验装置，其特征在于：所述的励磁线圈（10）与轭铁（6）之间固定连接。
3.根据权利要求1所述的原位力-磁耦合实验装置，其特征在于：所述的样品孔（7）的形状为圆形或矩形。
4.一种权利要求1所述的原位力-磁耦合实验装置的实验方法，其特征在于，所述的实验方法包括以下步骤：
a. 装置安装
将应力加载装置（1）安放在承重台（2）上，磁场施加装置（3）安装到应力加载装置（1）的底板（5）上，样品杆（9）穿过轭铁（6）的样品孔（7）安装到夹具（8）上；
b. 测量几何布局
将射线源（13）和探测器（16）分别布置于应力加载装置（1）的两侧呈对称式测量几何布局，布局角度为θ，使射线源（13）的中心、样品杆（9）的中心和探测器（16）的中心三者处于同一水平高度；
c. 力-磁耦合加载
通过应力加载装置（1）的夹具（8）运动使样品杆（9）处于受力状态，同时通过磁场施加装置（3）的励磁线圈（10）对样品杆（9）施加磁场；
d. 原位实验测量
确定布局角度θ，按照预先确定的力-磁耦合加载方案，在力-磁耦合加载状态下同时通过探测器（16）收集来自样品杆（9）的射线信号，并传输至计算机储存；
e. 测量完成
改变布局角度θ，重复步骤d，直至全部布局角度测量完成，关闭各装置电源并对测试现场整理归位。
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