CN109933914A - 双相铁磁性材料磁滞及巴克豪森噪声信号的建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种双相铁磁性材料磁滞回线及巴克豪森噪声信号建模方法，用于建立双相铁磁性材料的宏‑微观磁特性预测方程，定量分析金相体积占比对磁滞回线和巴克豪森噪声信号特征的影响规律。该发明利用玻尔兹曼函数或双相剂量响应函数，描述磁特性参数在两相成分间的过渡特性，基于经典的J‑A磁滞方程，建立了两相材料宏观磁滞回线预测模型。进一步地，利用双高斯分布函数描述双相微观磁畴的巴克豪森跳变随机过程，并与宏观磁滞回线预测模型相联立，定量预测了双相体积占比对巴克豪森噪声信号特征的影响规律。本发明公布的方法，可以用于双相甚至多相材料宏‑微观磁特性的定量预测，指导实验测试或发展铁磁性材料金相体积占比的无损测量技术。

Description

双相铁磁性材料磁滞及巴克豪森噪声信号的建模方法

技术领域

双相铁磁性材料磁滞回线及巴克豪森噪声信号建模方法，属于磁性材料与磁无损检测技术领域，可以实现对已知成分的双相铁磁性材料宏-微观磁特性进行预测，分析金相体积占比对材料磁特性的影响规律。

背景技术

近年来，双相钢逐渐被人们广泛应用，其使得两种不同相的优点尽可能发挥，同时使它们的缺点由于其他相的存在而减少，目前已广泛应用于汽车工业。双相铁磁性材料内金相占比的变化可以体现出材料微观结构中的金相组分变化，对其进行检测可有助于零部件微观结构或力学性能的评价。但目前采用的检测方法如金相分析、硬度测试等均为有损检测，会破坏被检测试件。微磁检测法具有无损检测的特点，对材料内部的金相变化非常敏感，可对金相占比特征进行表征。所以建立一种双相铁磁性材料磁滞回线及巴克豪森噪声的预测模型非常重要，可以对材料的金相占比在理论上进行预测。目前单相材料的磁滞回线以及巴克豪森噪声的预测模型已有报道，但该模型只适用于单相材料，对双相材料的磁滞特性无法预测。因此本发明提出一种双相铁磁性材料磁滞回线及巴克豪森噪声信号的建模方法，可以对双相材料的金相占比进行表征，有希望应用于双相铁磁性材料力学性能的在线、无损评价。

发明内容

本发明提供了一种双相铁磁性材料磁滞回线及巴克豪森噪声信号的建模方法，本发明的目的在于在理论上对双相铁磁性材料的磁滞回线及巴克豪森噪声进行预测。

为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案如下：

步骤1：利用两种单一相材料的J-A方程控制参数(分别计为A₁和A₂)，确定两种单一相材料的矫顽力，分别为H_c1和H_c2(其中H_c1<H_c2)，则磁场过渡区间范围为[H_c1,H_c2]，则双相材料的J-A方程控制参数As可采用玻尔兹曼函数进行表达，表达式为：

式中等效矫顽力为H_ex＝(H_c1+H_c2)/2，H为外加磁场强度，△H表示确定两个磁相之间的过渡平滑度的场的标准偏差，可近似为：

或者双相材料的J-A方程控制参数As可采用双相剂量响应函数进行表达，表达式为：

式中p为0-1之间的数字，表示双相材料的金相占比，H为外加磁场强度，H_c1和H_c2分别代表软磁相与硬磁相的矫顽力，h1和h2分别代表软硬磁相在矫顽力点的斜率。

步骤2：将双相材料的参数As代入经典的J-A方程，即可计算出双相材料的磁滞回线，如采用表达式(1)时，只能预测双相体积占比为1的磁滞回线；当采用表达式(2)时，可定量预测体积占比p变化时双相材料的磁滞回线。

步骤3：采用权利要求1所述的方法，建立双相材料的磁滞方程，计算不可逆磁化强度Mirr、不可逆微分磁化率dMirr/dt和磁场变化率dH/dt；

步骤4：利用双高斯函数描述双相材料内部巴克豪森跳变这一随机过程，表达式为：

式中a指高斯曲线的峰值，c为其对应的横坐标，σ即标准差。

步骤5：将步骤3和步骤4计算得到的过程参数，代入下式，预测得到巴克豪森噪声信号：

利用公式(2)和(4)，可以定量预测双相体积占比p对巴克豪森噪声信号特征的影响规律。

附图说明

图1过度函数表达形式

图2利用玻尔兹曼函数构造双相磁滞回线及巴克豪森噪声信号

图3利用双相剂量相应函数构造双相磁滞回线及巴克豪森噪声信号

图4利用微分磁导率和双高斯函数构造不同金相占比时的巴克豪森噪声信号

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提供一种双相铁磁性材料磁滞回线及巴克豪森噪声信号的建模方法，所述建模方法包括以下步骤：

S1：利用磁滞回线国标测量法对两种单相材料的磁滞回线进行测量，并对磁滞回线测量结果进行参数识别。

以纯铁、纯钴材料为实验对象，利用函数发生器激励5V1HZ的正弦信号，经过功率放大器放大后将激励信号通入励磁线圈，将接收线圈接收的感应电压信号接入采集卡。利用激励电流I与采集卡感应电压V分别计算得出所需的磁场强度H(t)与磁化强度M(t)，绘制出纯铁以及纯钴的M-H磁滞回线，如图3所示。采用J-A参数识别法对纯铁、纯钴的磁滞曲线进行参数识别，识别结果如下表：

S2：利用过渡函数将两种单相材料的J-A模型参数进行计算，得到双相材料的5个J-A模型参数。

在玻尔兹曼函数中，假设A_s可用表示5个J-A参数之一，A₁，A₂分别是软磁相和硬磁相中的5个参数之一，H为外加磁场强度，H_ex为两相矫顽力的平均值，△H为表示曲线光滑程度的量。在双相剂量响应函数中假设A_s可用表示5个J-A参数之一，H为外加磁场强度，A₁，A₂分别是软磁相和硬磁相中的5个参数之一，H_c1，H_c2分别代表软磁相与硬磁相的矫顽力，h₁、h₂分别代表软硬磁相在矫顽力点的斜率，p为0-1之间的数字，表征两相之间的金相占比。利用以上两种过渡函数均可以计算出双相材料的5个J-A参数，其区别为玻尔兹曼过渡函数只能表征金相占比为1时双相材料的磁滞回线，而双相剂量响应函数可以表征不同金相占比下的双相材料的磁滞回线。玻尔兹曼函数与双相剂量响应函数如图1所示。

S3：利用J-A模型对步骤二中得到的双相材料的5个J-A模型参数进行数值模拟，得到双相材料的磁滞回线。其中利用玻尔兹曼函数得到的双相磁滞回线如图2所示，利用双相剂量响应函数得到的双相磁滞回线如图3所示。

S4：将S3中得到的不同金相占比时双相材料的磁滞回线结果，结合巴克豪森噪声模型公式(4)，代入双高斯分布函数(3)，可对不同金相占比下的巴克豪森噪声信号进行模拟，如图3所示。通过改变金相占比p值，可以表征不同金相占比下材料的巴克豪森噪声信号。本发明利用微分磁导率与双高斯函数模拟了p＝0.2，p＝0.4，p＝0.6，p＝0.8时双相材料的巴克豪森噪声信号，如图4所示。

Claims (3)

1.双相铁磁性材料磁滞及巴克豪森噪声信号的建模方法，其特征在于：本方法利用玻尔兹曼函数或双相剂量响应函数，对过渡磁场区间内材料磁滞回线从一相过渡到另一相的特征进行描述，在经典J-A磁滞方程基础上，建立得到双相材料宏观磁滞回线方程；利用双高斯分布函数描述两种相内磁畴的巴克豪森跳变随机过程，并借助不可逆微分磁化率，与宏观磁滞回线方程相联立，预测得到不同金相体积占比条件下的微观巴克豪森噪声信号。

2.根据权利要求1所述的双相铁磁性材料磁滞回线及巴克豪森噪声信号建模方法，其特征在于，双相材料宏观磁滞回线方程的建模过程如下：

步骤1：利用两种单一相材料的J-A方程控制参数，分别计为A₁和A₂，确定两种单一相材料的矫顽力，分别为H_c1和H_c2，H_c1<H_c2，则磁场过渡区间范围为[H_c1,H_c2]，双相材料的J-A方程控制参数A_s采用玻尔兹曼函数进行表达，表达式为：

式中等效矫顽力为H_ex＝(H_c1+H_c2)/2，H为外加磁场强度，△H表示确定两个磁相之间的过渡平滑度的场的标准偏差，近似为：

或者双相材料的J-A方程控制参数A_s采用双相剂量响应函数进行表达，表达式为：

式中p为0-1之间的数字，表示双相材料的金相占比，H为外加磁场强度，H_c1和H_c2分别代表软磁相与硬磁相的矫顽力，h1和h2分别代表软硬磁相在矫顽力点的斜率；

步骤2：将双相材料的参数A_s代入经典的J-A方程，即可计算出双相材料的磁滞回线，如采用表达式(1)时，只能预测双相体积占比为1的磁滞回线；当采用表达式(2)时，可定量预测体积占比p变化时双相材料的磁滞回线。

3.根据权利要求2所述的双相铁磁性材料磁滞回线及巴克豪森噪声信号建模方法，其特征在于，双相铁磁性材料微观巴克豪森噪声信号的建模过程如下：

步骤1：采用权利要求1所述的方法，建立双相材料的磁滞方程，计算不可逆磁化强度M_irr、不可逆微分磁化率dM_irr/dt和磁场变化率dH/dt；

步骤2：利用双高斯函数描述双相材料内部巴克豪森跳变这一随机过程，表达式为：

式中a指高斯曲线的峰值，c为其对应的横坐标，σ即标准差；

步骤3：将步骤1和步骤2计算得到的过程参数，代入下式，预测得到巴克豪森噪声信号：

利用公式(2)和(4)，可以定量预测双相体积占比p对巴克豪森噪声信号特征的影响规律。