CN117054939B - 一种用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁性材料性能测试技术领域，公开了一种用于磁性材料力‑磁特性实时测量的装置及方法，此测量装置中包括有，夹持单元，其包括夹持器、设置于夹持器夹持端的夹具，以及与夹持器相连的加载器；电磁单元，包括测试线圈和螺线管，测试线圈设置于夹具之间，螺线管设置于夹具的外部；形变测试单元，与上夹头相连，其包括拉杆、与拉杆相连的限位块，与拉杆相连的测距器；本发明中的测试装置和测试方法，能可靠地表征材料的力学特性，包括应力应变关系曲线以及材料屈服强度、抗拉强度和延伸率等，能可靠地表征材料在不同应力应变状态下的磁特性，包括矫顽力和饱和磁感应强度等，能可靠地获得磁性材料磁特性与力学特性之间的对应关系。
Description
技术领域
本发明涉及磁性材料性能测试技术领域，尤其涉及一种用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置及方法。
背景技术
磁性材料是一类基于磁性能和磁效应的功能材料，可实现对能量的转换和信息的传递、存储等功能。磁性材料按照退磁的难易程度可主要分为软磁材料和硬磁材料。其中，软磁性材料具有低矫顽力、高磁导率和高磁感应强度等特点，主要应用于感应电机和变压器等设备；硬磁材料具有高矫顽力、高剩磁和高磁感应强度等特点，主要应用于永磁同步电机和硬盘驱动等设备。
当前，随着发电机、电动机等电器设备不断创新和发展，人们对磁性材料在极端环境中性能的要求越来越高。特别地，磁性材料在机械应力加载状态下的磁性能对于设备的性能和寿命至关重要。例如，应用于电动机或电磁阀铁芯等器件的软磁材料，不仅要在严重机械载荷的环境中长时间处于弹性应变阶段，还要在该阶段保持良好的磁性能。材料不同应变状态下的磁性能与微观组织变形以及原子间距等方面关系密切。例如，当材料处于弹性应变阶段时，材料内部的原子间距、磁弹性能等都会发生变化，对材料的磁性能造成不同影响；而当材料处于塑性变形阶段，材料内部位错等缺陷增加，钉扎磁畴壁，可使矫顽力升高，磁导率降低。
近年来，研究者们对磁性材料在机械载荷条件下的磁性能进行了研究。例如：Daniel等人利用3MA传感器的霍尔探针研究循环载荷对铁素体-珠光体AISI1045钢磁导率的影响[Daniel et, al. International Journal of Fatigue, 2022, 159: 106650]，曹海东等人提出一种电工钢平面应力-磁性能测试方法[曹海东等.电机与控制学报，2019，23(03):88-96.]，徐学平等人设计一种应力作用下磁性能测试装置[徐学平等.CN114578272A, 2022-06-03.]，但都无法实时并准确地测出磁性材料在不同应变状态下的磁性能。由此可见，当前技术始终无法同时准确地表征磁性材料的力学特性和与之应力应变状态相对应的磁学特征。
因此，工业生产中亟需一种用于实时测定磁性材料的力学特性和与之应力应变状态下相对应的磁特性的测设设备，用以评估块体材料在严重机械负荷的工作环境下的磁特性。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有环境中尚不存在能够实时测量磁性材料力—磁特性的装置及方法，提出了本发明。
因此，本发明的第一个目的是提供一种用于磁性材料力—磁特性的实时测量装置，其目的在于搭建一种可用于在应力作用下磁性材料测定磁特性变化的装置。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置，此测量装置包括夹持单元、电磁单元和形变测试单元，其中，夹持单元，其包括夹持器、设置于所述夹持器夹持端的夹具，以及与所述夹持器相连的加载器；电磁单元，与所述夹持单元相连，其包括测试线圈和螺线管，所述测试线圈设置于所述夹具之间，所述螺线管设置于所述夹具的外部；以及，形变测试单元，与所述上夹头相连，其包括拉杆、与所述拉杆相连的限位块，以及与所述拉杆相连的测距器。
作为本发明所述用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置的一种优选方案，其中：所述夹持器包括同轴分布的上夹杆、下夹杆和设置于两夹杆相靠近一端的夹头；所述下夹杆一端固定，所述上夹杆远离下夹杆的一端与所述加载器相连；所述夹头远离夹杆的一端开设有卡接口，其外环侧壁上开设有插接孔；所述夹具一端能够卡接于所述卡接口内，其另一端设置有放置卡口，两放置卡口之间设置有测试样品。
作为本发明所述用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置的一种优选方案，其中：所述测试线圈包括线圈骨架和绕制于所述线圈骨架外环侧壁上的感应线圈；所述测试样品沿轴向贯穿所述线圈骨架的内部。
作为本发明所述用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置的一种优选方案，其中：所述螺线管包括螺线管骨架、绕制于所述螺线管骨架外环侧壁上的电磁线圈、连接于所述电磁线圈端部的接线盒，以及延伸出所述接线盒的接线柱；所述螺线管骨架的端部设置有端盖，所述端盖的中部能够套接于所述上夹杆和下夹杆的杆体上；所述端盖的侧壁上还开设有通孔。
作为本发明所述用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置的一种优选方案，其中：所述拉杆的一端位于所述螺线管骨架的内腔，其杆体与所述夹持器的轴向平行，且于此端侧壁上设置有凸柱；所述拉杆的另一端贯穿所述通孔，延伸出所述螺线管的外部，并与所述限位块相连；所述限位块远离所述拉杆的一端滑动套接于所述下夹杆的杆体上；所述凸柱能够配合插接于所述插接孔内。
作为本发明所述用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置的一种优选方案，其中：所述测距器的固定端保持与所述下夹杆的杆体相对固定，其接收端与所述拉杆延伸出所述螺线管的一端相对固定。
作为本发明所述用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置的一种优选方案，其中：还包括，支架单元，其包括底座和设置于所述底座上方的顶板，所述夹持单元设置于所述底座和顶板之间；所述下夹杆的底部连接于所述底座的顶部侧壁上；所述上夹杆通过加载器与所述顶板相连。
作为本发明所述用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置的一种优选方案，其中：所述螺线管通过接线柱与电源相连；所述测试线圈通过导线与磁通计相连。
本发明的第二个目的是提供一种用于磁性材料力-磁特性实时测量的方法，其目的在于通过利用上述磁特性测量装置，测试获得磁性材料磁特性与应变之间的对应规律。
本发明提供如下技术方案：一种用于磁性材料力-磁特性实时测量的方法，通过上述的磁性材料磁特性测量装置，采用如下测试方法：
S1：根据测试样品尺寸，设计测试线圈和螺线管的长度，确保为测试样品处于均匀分布的磁场环境中；
S2：将测试样品穿过测试线圈，安装在夹持器上，并接入加载器；安装拉杆及限位块，并在夹持器外侧套上螺线管，保持三者位于同一中心位置，接入测距器、电源和磁通计；
S3：通过预设程序，启动电源，模拟出测试样品的服役环境；
S4：开始测试，加载器工作，通过夹持器对测试样品产生应力作用，记录应力数值和材料的应变数值，获得应力应变关系曲线以及材料屈服强度、抗拉强度和延伸率的力学特性，同时利用等体积变形原理，测算出测试样品在颈缩前的横截面积；
S5：在测试样品被持续的拉伸过程中，通过磁性测试系统进行磁特性测试，获得材料在不同应力应变状态下相应的矫顽力和饱和磁化强度；
S6：直至测试样品被拉伸断裂时，测量实验结束。
作为本发明所述用于磁性材料力-磁特性实时测量的方法的一种优选方案，其中：
S5.1：当需要进行磁特性测试时，磁性测试系统通过改变电源控制螺线管对测试样品行消磁；
S5.2：消磁后通过磁性测试系统对测试样品进行磁特性测试；
S5.3：实时记录测试样品在拉伸过程中不同应变或应力状态下的磁特性，获得磁性材料磁特性与力学特性之间的对应关系。
本发明的有益效果：
本发明中的设备和测试方法，能可靠地表征材料的力学特性，包括应力应变关系曲线以及材料屈服强度、抗拉强度和延伸率等；能可靠地表征材料不同应力应变状态下的磁特性，包括矫顽力和饱和磁感应强度等；能可靠地获得磁性材料磁特性与力学特性之间的对应关系，用于评估磁性材料在严重机械负荷的工作环境下的磁特性表现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置的整体结构示意图。
图2为本发明用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置的中间结构示意图。
图3为本发明用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置的测试线圈与夹持单元连接结构示意图。
图4为本发明用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置的螺线管剖面结构示意图。
图5为本发明用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置的整体内部平面结构示意图。
图6为本发明用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置的整体内部平面局部P放大结构示意图。
图7为利用本装置在实施例4中以长度为40mm的样品内部磁感应强度模拟曲线（通过maxwell软件模拟）。
图8为实施例4所得的实验结果，包括工程应力应变曲线和不同应变状态下的矫顽力。
图9为本发明实施例4所得的实验结果，包括磁性材料不同应变状态下的矫顽力和饱和磁感应强度。
图10为本发明对比例所得的实验结果，包括磁性材料通过此方法得到的磁滞回线和通过标准闭路测量得到的磁滞回线（作为参照）。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例1
参照图1，为本发明第一个实施例，提供了一种用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置，此测量装置包括夹持单元100、电磁单元200和形变测试单元300，其中，夹持单元100用于夹持放置测试样品S，并可对测试样品S施加应力；电磁单元200用于提供可控的磁场环境，并监测测试样品S所处的磁通密度；形变测试单元300则用于监测测试样品S在应力之下发生的应变量，用于测算测试样品S在不同应变量下的磁特性。
具体的，在测试装置中主要包括，夹持单元100，其包括夹持器101、设置于夹持器101夹持端的夹具102，以及与夹持器101相连的加载器103；其中，夹持器101及夹具102用于夹持测试样品S，而加载器103则用于对夹持器101施加应力，从而使测试样品S发生应变。
电磁单元200，与夹持单元100相连，其包括测试线圈201和螺线管202，测试线圈201设置于夹具102之间，螺线管202设置于夹具102的外部；其中，测试线圈201包覆在一段测试样品S的外部，基于电磁感应原理，通过磁通计C实时监测测试样品S外部的磁通量；而螺线管202则包覆在夹持有测试样品S的夹持器101的外部，用于提供可控强度的励磁磁场。
形变测试单元300，与上夹头101相连，其包括拉杆301、与拉杆301相连的限位块302，以及与拉杆301相连的测距器303；其中，拉杆301用于将测试样品S产生的形变量导出，并通过测距器303测出形变数值。
实施例2
参照图1，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是：夹持器101包括同轴分布的上夹杆101a、下夹杆101b和设置于两夹杆相靠近一端的夹头101c；下夹杆101b一端固定，上夹杆101a远离下夹杆101b的一端与加载器103相连；夹头101c远离夹杆的一端开设有卡接口101c-1，其外环侧壁上开设有插接孔101c-2。
夹具102一端能够卡接于卡接口101c-1内，其另一端设置有放置卡口102a，两放置卡口102a之间设置有测试样品S。
夹持器101区分为两部分，由于本实施例中采用上下分布，因而为上夹杆101a和下夹杆101b，当然也可采用水平或倾斜分布的方式，在此，不再延伸。上下的夹杆各自独立，但位于同一轴线上，且夹头101c固定在二者相互靠近的一端，相对设置；夹头101c端部开设的卡接口101c-1用于卡接安装夹具102，夹具102的放置卡口102a则用于夹装测试样品S。
进一步的，为保持夹持测试样品S后，在施加载荷力之后发生形变，需保持两夹杆之间产生轴向的位移；因而需保持一个夹杆固定，另一个夹杆可移动，本实施例中采用下夹杆101b固定，上夹杆101a可移动的设置；同理，下夹杆101b可移动，上夹杆101a固定的方式亦可，在此不做赘述。
加载器103与上夹杆101a的顶部相连，用于对上夹杆101a推动或拉动，从而对夹头101c之间放置的测试样品S进行挤压或拉伸。
测试线圈201包括线圈骨架201a和绕制于线圈骨架201a外环侧壁上的感应线圈201b；测试样品S沿轴向贯穿线圈骨架201a的内部。
测试样品S沿着测试线圈201的中轴线贯穿其线圈骨架201a的内腔，端部可通过垫片分隔。感应线圈201b缠绕在线圈骨架201a的外环侧壁，在交变磁场中，可产生感应电流，在通过导线与磁通计C相连时，可得出于测试线圈201处（即测试样品S所处）环境的磁通量大小；在此需要说明的是，线圈骨架201a为非铁磁性材料制成，内部贯通，且其长度与测试样品S的长度相关，确保测得样品尽可能准确的磁通密度。更进一步的，线圈骨架201应尽可能包裹测试样品S，以减小空气间隙的影响，且不能接触到测试样品S，防止二者摩擦对样品应变量的测定造成影响；还需注意的是，所有线圈采用漆包线，并在线圈外部缠绕一圈包覆层，防止在测试过程中绝缘层被划伤，造成短路。
螺线管202包括螺线管骨架202a、绕制于螺线管骨架202a外环侧壁上的电磁线圈202b、连接于电磁线圈202b端部的接线盒202c，以及延伸出接线盒202c的接线柱202d；螺线管骨架202a的端部设置有端盖202a-1，端盖202a-1的中部能够套接于上夹杆101a和下夹杆101b的杆体上；端盖202a-1的侧壁上还开设有通孔T，用于拉杆301的安装。
螺线管202中，电磁线圈202b均匀绕制在螺线管骨架202a上，电磁线圈202b在通以交变励磁电流时，能够得到可控的磁场测试环境。螺线管骨架202a采用非铁磁性材料制成，起支撑作用，其整体长度与测试样品S长度相关，确保样品内部磁场分布相对均匀；接线柱202d与引出的电磁线圈202b的接头相连，方便电源E的接入。
拉杆301的一端位于螺线管骨架202a的内腔，其杆体与夹持器101的轴向平行，且于此端侧壁上设置有凸柱301a；拉杆301的另一端贯穿通孔T，延伸出螺线管202的外部，并与限位块302相连；限位块302远离拉杆301的一端滑动套接于下夹杆101b的杆体上；凸柱301a能够配合插接于插接孔101c-2内。
测距器303的固定端保持与下夹杆101b的杆体相对固定，其接收端与拉杆301延伸出螺线管202的一端相对固定。
具体的，拉杆301用于等效输出加载器103施加在夹杆上产生的位移量，进而反映出测试样品S产生的形变量。其杆体一部分位于螺线管骨架202a的内腔中，另一端延伸出螺线管骨架202a。具体的，杆体的形状可采用“直杆”或“L型”或“T型”杆体，本实施例中以“L型”为例进行说明，其“L型”的长边部分位于螺线管骨架202a的内腔中，其短边部分位于所述螺线管骨架202a的外部，与限位块302固定或可拆卸式连接，即通过限位块302进行限位，限位块302用于保持拉杆301的杆体始终能够与夹持器301的轴向平行。拉杆301通过L型长边侧端部的凸柱301a插接在插接孔101c-2内，从而保持在上夹杆101a轴向移动时，能够同步位移。
限位块302的一端套接在下夹杆101b的杆体上，并能够沿其杆体侧壁上下滑动。
更进一步的，拉杆301的位移量采用测距器303测定。在此，测距器303的器件壳体需要被固定，而固定的位置不做限定，只需保持与下夹杆101b相对静止即可，因而，其固定位置可为下夹杆101b上，或地面，或支架，或底座上。测距器303测量的接收端需要接收到与拉杆301的杆体移动，此处，可与之直接相连，或通过限位块302间接相连，保持二者位置相对固定即可。还需要说明的是，由于样品的拉伸量有限，因而测距器303优选为精度较高的测距仪器，如千分尺。
其余结构与实施例1的结构相同。
实施例3
参照图1，为本发明的第三个实施例，该实施例不同于第二个实施例的是：在上述的主体结构之外，还包括，支架单元400，用于上述实施例中特征的安装和支撑。
具体的，在支架单元400中，包括有底座401和设置于底座401上方的顶板402，夹持单元100设置于底座401和顶板402之间；下夹杆101b的底部连接于底座401的顶部侧壁上；上夹杆101a通过加载器103与顶板402相连。
螺线管202通过接线柱202d与电源E相连；测试线圈201通过导线与磁通计C相连,所述加载器103连接有力传感器L。
相较于实施例2，进一步的，底座401为整体支架的下端部分，顶板402为支架的上端部分，二者之间支撑并安装有夹持单元100，电磁单元200和形变测量单元300，而对于底座401和顶板402的具体结构不做具体限定。
进一步的，设置的电源E通过导线与螺线管202相连接，用于施加交变励磁电流，而在测试时通过调整励磁电流，得到想要施加的磁场强度；磁通计C通过导线与测试线圈201相连接，以测得在不同磁场强度下样品的磁感应强度，从而对测试样品S在此应变状态下的直流或交流磁特性进行测量。L传感器103则用于测量加载器103对夹持器101施加的力的大小。需要注意的是，磁特性测试前应对测试样品S进行退磁处理。
其余结构与实施例2的结构相同。
实施例4
参照图1，为本发明第四个实施例，提供了一种用于磁性材料力-磁特性实时测量的方法，此测试方法包括如下操作步骤：
S1：根据测试样品S尺寸，设计测试线圈201和螺线管202的长度，确保为测试样品S处于均匀分布的磁场环境中。
具体的，先选定待测试的磁性材料，作为测试样品S，根据需要测定的样品尺寸，确定出所需的测试线圈201和螺线管202的长度，并制作或选定出测量试验所需的全部构件。
S2：将测试样品S穿过测试线圈201，安装在夹持器101上，并接入加载器103；安装拉杆301及限位块302，并在夹持器101外侧套上螺线管202，保持三者位于同一中心位置，接入测距器303、电源E和磁通计C。
在测试装置使用前，需完成测试装置的组装工作，组装完成后，再将测试样品S放置在测试装置内。具体的，先将测试线圈201套装在测试样品S的外部，并将测试样品S的两端放置于夹具102的放置卡口102a内；而后，将拉杆301端部的凸柱301a插入于插接孔101c-2内，其杆体下部穿过限位块302上设置的孔槽，保持拉杆301与夹杆的杆体靠近且平行；而后，再将螺线管202套装在夹持器101的外部，保持样品、测试线圈201与螺线管202三者轴线尽可能处于同一直线上，再接入电源E和测距器303、磁通计C和力传感器L。
初始状态下，电源E接入但是未通电，上、下夹杆之间的间距等于测试样品S的轴向长度，测距器303处于原始长度，力传感器L为原始示数，磁通计C显示为0。再将装置接入由电脑软件控制的测试系统中。
S3：通过预设程序，启动电源E，模拟出测试样品S的服役环境。其中，预设的程序中，包括测试系统对加载器103的力度控制、速率控制或时间控制等，而磁特性测试的设定程序中，包括对电源E的电流大小或频率的控制等等；服役环境则为测试样品S所处的拉环状态及磁场状态。
S4：开始测试，加载器103工作，通过夹持器101对测试样品S产生应力作用，记录应力数值和材料的应变数值，获得应力应变关系曲线以及屈服强度、抗拉强度和延伸率等力学特性，同时利用等体积变形原理，测算出测试样品S在颈缩前的横截面积。
具体的，测试过程中，测试样品S一直处于加载器103的加载状态下，即通过夹持器101对测试样品S进行缓慢拉伸，过程中，进行力学特性的检测，即通过力传感器L进行力值的读取和记录，通过测距器303测定样品的拉伸距离。通过将力与位移对应，得出二者的关系曲线。同时得到材料的屈服强度、抗拉强度和延伸率等特性。利用测试样品S在颈缩前的等体积变形原理，实时计算样品的横截面积。
被测样件所受工程应力σ计算式如下：
σ=F/A0
式中：F为力传感器接收的数值，A0为被测样件初始的横截面积。
被测样件所受工程应变ε计算式如下：
ε=Δl/l0
式中：Δl为测距器测量结果，l0表示原始长度。
S5：在测试样品S被持续的拉伸过程中，通过磁性测试系统进行磁特性测试；由于样品被拉伸的速度非常缓慢，例如以0.001mm/min的速率，因而应变速率非常慢，可以忽略磁测试过程中样品应变的改变；进而磁特性测试可伴随在样品的持续拉伸过程中，即在持续拉伸过程中，可进行任意多次测试过程，获得材料矫顽力和饱和磁化强度等磁特性。具体的，在磁特性测试过程中，细分为如下步骤：
S5.1：当需要进行磁特性测试时，磁性测试系统通过改变电源E控制螺线管202对测试样品S进行消磁；
S5.2：消磁后通过磁性测试系统对测试样品S进行磁特性测试；其中，本测试方法中基于现有的型号为MAST-2010的磁性测试系统进行，进而具体的磁性测试方式及测试步骤不做具体限定和说明。
S5.3：记录测试样品S在不同应力应变状态下的磁特性参数，获得磁性材料磁特性与力学特性之间的对应关系。
进一步的，随着测试次数增加，样品在持续力学加载作用下，逐渐被拉长，后序拉伸过程中，更应注意截面积的变化（等体积原则），确保饱和磁化强度误差不大。
S6：直至测试样品S被拉伸断裂时，测量实验结束。具体的，当样品被拉伸发生颈缩时，等体积原理再不适用，此时停止磁特性测试，此时力学特性测试仍可继续进行，直至测试样品S断裂。
实施实例：
选用合金成份Fe-Si0.4-Mo4-Mn0.8-Ni80（wt%）坡莫合金作为实验对象，利用电火花线切割机制作中间段长度为40mm、宽度2.5mm、厚度为1.5mm的矩形横截面拉伸样品S，螺线管202长度为400mm，其外部电磁线圈匝数4072匝，测试线圈202的匝数500匝，最大磁场范围±7000A/m，测试样品S位于螺线管202中部25mm内。
图7为利用maxwell工业软件模拟标距段40mm长的测试样品在400mm长的螺线管中的磁感应强度分布，其中测试线圈位于样品中部25mm内，该范围内磁感应强度1.976-1.992T，在可接受范围内。
将测试样品S穿过测试线圈201，安装在夹持器101上，并接入加载器103；安装拉杆301及限位块302，并在夹持器101外侧套上螺线管202，保持三者位于同一中心位置，接入测距器303、电源E和磁通计C。通过预设程序，启动电源E，模拟出测试样品S的服役环境。其中，预设的程序中，参数包括测试样品尺寸（长度为40mm、宽度2.5mm、厚度为1.5mm）、最大外加磁场（±7000A/m）、拉伸速率（0.01mm/min）等；
服役环境则为测试样品S所处的拉环状态及磁场状态。开始测试，加载器103工作，通过夹持器101对测试样品S产生应力作用，记录应力数值和材料的应变数值，获得应力应变关系曲线，同时利用等体积变形原理，测算出测试样品S在颈缩前的横截面积。在测试样品S被持续的拉伸过程中，通过磁性测试系统进行磁特性测试。直至测试样品S被拉伸断裂时，测量实验结束。
具体的，如图8a所示，合金的屈服强度~200MPa，抗拉强度~560MPa，断裂延伸率~35%。随着合金应变的增加，合金的矫顽力呈现先下降后上升的趋势。图8b为矫顽力拐点附近的放大图，当合金在弹性变形阶段时，合金的矫顽力随合金应变的增加而降低；随着应力的增加，当合金从弹性阶段进入塑性阶段时(~0.3%)，合金的矫顽力达到最低(~8A/m)；随着合金塑性变形的增加，合金的矫顽力不断上升，直至材料发生颈缩（~83A/m）。实验结果表明合金的矫顽力与材料的应变过程密切相关，弹性阶段应力的作用会改变合金的，而塑性阶段产生的大量缺陷会严重钉扎磁畴的运动，使得矫顽力升高。图9所示为合金在不同应变状态下的矫顽力和饱和磁感应强度的变化，随着合金应变量的增加，合金饱和磁化强度从~0.96T下降到~0.95T，基本保持不变，其中微弱的下降可能是因为合金在严重的塑性变形后产生大量的缺陷，这些缺陷在磁化过程中会成为反磁核并形成退磁场，降低合金的饱和磁化强度。当合金的局部应变到达~27.5%，合金的饱和磁感应强度随应变增加而上升，这可能是因为此时样品被严重拉伸，整体略有偏离中心均匀磁场，从而产生微小误差。
对比例
本发明基于开路情况下测量合金的磁特性，存在不可忽略的退磁场。图10所示，利用本发明测得某坡莫合金在无应变状态下最大磁导率μm为0.3861mH/A，初始磁导率μi为0.3599mH/m，矫顽力Hc为16.32A/m，剩磁Br为0.8539T，饱和磁感应强度为Bs为0.006T；
与之相比，商业闭路磁性测试的样品多为圆环状，磁路是闭合的，因此测试结果不受退磁场明显影响。我们将相同成份的合金制成圆环样品，测量圆环样品尺寸，并绕绝缘层（防止样品与绕制之间出现短路）。首先绕制次级绕组，如出现需要多层则每层加绝缘层。次级绕制完成之后需要加软套管或者绝缘胶带进行引出端的保护，软管或者绝缘胶带需要形成一匝。然后再绕制初级（初级绕制在外层）。绕制完成之后将初次级引出线分别缠绕在一起，最后将漆包线的引出端的漆刮除，然后接入仪器的初、次级。
预设测试参数如：样品外径（25mm）、样品内径（20mm）、样品高度（2mm）、初级线圈的匝数（100匝），次级线圈的匝数（150匝），最大外加磁场等（±7000A/m）。随后开始测试，注意测试前先对样品进行退磁处理。如图10所示，相同合金相同状态经过直流磁性闭路测试后最大磁导率μm为6.603mH/A，初始磁导率μi为3.364mH/m，矫顽力Hc为17.29A/m，剩磁Br为0.9001T，饱和磁感应强度为Bs为0.1829T。由此可见，本发明能够准确地测得合金的矫顽力和饱和磁化强度，同时反应合金在不同应力应变状态下的磁特性，但是无法精准测量磁导率以及剩磁的结果。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置，其特征在于：包括，
夹持单元（100），用于夹持放置的测试样品（S），对测试样品（S）施加应力，其包括夹持器（101）、设置于所述夹持器（101）夹持端的夹具（102），以及与所述夹持器（101）相连的加载器（103），所述加载器（103）用于对夹持器（101）施加应力，使测试样品（S）发生应变；
电磁单元（200），与所述夹持单元（100）相连，其包括测试线圈（201）和螺线管（202），所述测试线圈（201）设置于所述夹具（102）之间，所述螺线管（202）设置于所述夹具（102）的外部，并包覆在夹持有测试样品（S）的夹持器（101）的外部，用于提供可控强度的励磁磁场；而通过导线与磁通计（C）相连，能够得出于所述测试线圈（201）处，测试样品（S）所处环境的磁通量大小；以及，
形变测试单元（300），与所述夹持器（101）相连，其包括拉杆（301）、与所述拉杆（301）相连的限位块（302），以及与所述拉杆（301）相连的测距器（303）。
2.根据权利要求1所述的用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置，其特征在于：所述夹持器（101）包括同轴分布的上夹杆（101a）、下夹杆（101b）和设置于两夹杆相靠近一端的夹头（101c）；
所述下夹杆（101b）一端固定，所述上夹杆（101a）远离下夹杆（101b）的一端与所述加载器（103）相连；
所述夹头（101c）远离夹杆的一端开设有卡接口（101c-1），其外环侧壁上开设有插接孔（101c-2）；
所述夹具（102）一端能够卡接于所述卡接口（101c-1）内，其另一端设置有放置卡口（102a），两放置卡口（102a）之间设置有测试样品（S）。
3.根据权利要求2所述的用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置，其特征在于：所述测试线圈（201）包括线圈骨架（201a）和绕制于所述线圈骨架（201a）外环侧壁上的感应线圈（201b）；
所述测试样品（S）沿轴向贯穿所述线圈骨架（201a）的内部。
4.根据权利要求3所述的用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置，其特征在于：所述螺线管（202）包括螺线管骨架（202a）、绕制于所述螺线管骨架（202a）外环侧壁上的电磁线圈（202b）、连接于所述电磁线圈（202b）端部的接线盒（202c），以及延伸出所述接线盒（202c）的接线柱（202d）；
所述螺线管骨架（202a）的端部设置有端盖（202a-1），所述端盖（202a-1）的中部能够套接于所述上夹杆（101a）和下夹杆（101b）的杆体上；
所述端盖（202a-1）的侧壁上还开设有通孔（T）。
5.根据权利要求4所述的用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置，其特征在于：所述拉杆（301）的一端位于所述螺线管骨架（202a）的内腔，其杆体与所述夹持器（101）的轴向平行，且于此端侧壁上设置有凸柱（301a）；
所述拉杆（301）的另一端贯穿所述通孔（T），延伸于所述螺线管（202）的外部，并与所述限位块（302）相连；
所述限位块（302）远离所述拉杆（301）的一端滑动套接于所述下夹杆（101b）的杆体上；
所述凸柱（301a）能够配合插接于所述插接孔（101c-2）内。
6.根据权利要求2~5任一所述的用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置，其特征在于：所述测距器（303）的固定端保持与所述下夹杆（101b）的杆体相对固定，其接收端与所述拉杆（301）延伸出所述螺线管（202）的一端相对固定。
7.根据权利要求6所述的用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置，其特征在于：还包括，
支架单元（400），其包括底座（401）和设置于所述底座（401）上方的顶板（402），所述夹持单元（100）设置于所述底座（401）和顶板（402）之间；
所述下夹杆（101b）的底部连接于所述底座（401）的顶部侧壁上；
所述上夹杆（101a）通过加载器（103）与所述顶板（402）相连。
8.根据权利要求7所述的用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置，其特征在于：所述螺线管（202）通过接线柱（202d）与电源（E）相连；所述测试线圈（201）通过导线与磁通计（C）相连；所述加载器（103）连接有力传感器（L）。
9.一种用于磁性材料力-磁特性实时测量的方法，其特征在于：包括如权利要求1~8任一所述的用于磁性材料力-磁特性实时测量的装置，还包括如下测试方法：
根据测试样品（S）尺寸，设计测试线圈（201）和螺线管（202）的长度，确保测试样品（S）处于均匀分布的磁场环境中；
将测试样品（S）穿过测试线圈（201），安装在夹持器（101）上，并接入加载器（103）；安装拉杆（301）及限位块（302），并在夹持器（101）外侧套上螺线管（202），保持三者位于同一中心位置，接入测距器（303）、电源（E）和磁通计（C）；
通过预设程序，启动电源（E），模拟出测试样品（S）的服役环境；
开始测试，加载器（103）工作，通过夹持器（101）对测试样品（S）产生应力作用，记录应力数值和材料的应变数值，获得应力应变关系曲线以及材料屈服强度、抗拉强度和延伸率的力学特性，同时利用等体积变形原理，实时测算出测试样品（S）在颈缩前的横截面积；
在测试样品（S）被持续的拉伸过程中，通过磁性测试系统进行磁特性测试，获得材料在不同应力应变状态下相应的矫顽力和饱和磁化强度；
直至测试样品（S）被拉伸断裂时，测量实验结束。
10.根据权利要求9所述的用于磁性材料力-磁特性实时测量的方法，其特征在于：当需要进行磁特性测试时，磁性测试系统通过改变电源（E）控制螺线管（202）对测试样品（S）进行消磁；
消磁后通过磁性测试系统对测试样品（S）进行磁特性测试；
实时记录测试样品不同应变或应力状态下的磁特性，获得磁性材料磁特性与力学特性之间的对应关系。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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