一種測量材料內部磁致應變三維空間分布的方法與流程

文檔序號：12822479閱讀：201來源：國知局

本發明屬于材料物理性能分析檢測技術領域，具體涉及一種測量材料內部磁致應變三維空間分布的方法。

背景技術：

受磁驅動而產生應力應變的磁彈材料是一類重要的智能材料。作為高效換能器、大載荷致動器及高精度傳感器等核心元器件的候選材料之一，在國防軍工、航空航天、海洋工程、精密加工、自動控制等高新技術領域均有廣泛應用。因此，這類新型智能材料引起世界范圍內的關注，許多國家投入大量技術力量競相進行材料和器件研發。材料性能測試是掌握材料功效行為和器件設計開發的重要基礎。因而，磁致應變分布測量是各個研究環節的重要一環。目前磁致應變測量有光學（干涉法、光杠桿法）和電學（電阻法、電容法）兩種方法。邁克爾干涉法根據被測試樣伸長或縮短引起干涉條紋在視場中的移動數目來測量確定磁致應變。光杠桿法在干涉法相似測量布局基礎上結合機械杠桿將微位移放大。電阻應變片法利用粘貼在被測試樣表面的應變片和放大電路測得應變片敏感柵電阻大小推導求得微小位移變化。差動電容法則利用被測試樣伸縮導致兩側電容分別變大與變小的差動式、振蕩變化測量應變大小。上述方法中，干涉法、光杠桿法和電容法均僅適于測量試樣一個維度方向（如試樣長度方向）的磁致應變。電阻法可借助粘貼應變片數量和布局實現試樣不同維度方向上（如試樣長度和垂直長度方向）的應變測量。然而，由于需通過樣品表面粘貼應變片的方式，電阻法并不適于測量樣品內部任意方向上的應變大小。

從材料晶體學角度，不同的晶體結構對稱性均會導致材料物理性能的各向異性。因此，很有必要掌握磁彈功能材料內部不同方向上磁致應變大小的分布信息，以促進新型材料的開發和潛在應用的挖掘。在目前已有磁致應變測量方法存在測量方向受限、易受樣品表面狀態和測量環境影響等缺點的技術背景下，實現材料內部磁致應變三維空間分布的可靠準確的測量方法十分必要，是充分理解材料性能的基礎前提。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種測量材料內部磁致應變三維空間分布的方法。

本發明的測量材料內部磁致應變三維空間分布的方法，其特點是，所述的方法中采用的測量設備及其連接關系如下：測角臺放置在承重臺上，自旋盤安裝在測角臺的旋轉圓內圈，沿旋轉圓內圈旋轉，自旋盤的上部從下至上依次固定樣品桿、磁場n極、樣品和磁場s極，樣品桿、磁場n極、樣品和磁場s極的中心線重合，在自旋盤自轉和自旋盤沿旋轉圓內圈旋轉的過程中，樣品所處的磁場方向始終保持與樣品的長軸平行；在中子光源、測角臺和探測器形成的衍射實驗幾何布局下測量樣品的內部磁致應變三維空間分布。

所述的方法包括以下步驟：

a.衍射實驗幾何布局

中子光源和探測器在測角臺兩側對稱布置，中子光源的中心、測角臺的中心和探測器的中心位于同一水平高度；

b.樣品安裝

將樣品固定在磁場n極和磁場s極形成的磁場均勻區內，并將樣品的方位角和調節至歸零狀態；

c.零磁場下測量

在磁場關閉狀態下，對樣品在全部空間方向范圍內所有的晶面進行測量；

d.磁場下測量

在磁場開啟狀態下，對樣品在全部空間方向范圍內所有的晶面進行測量；

e.數據處理

對步驟c和步驟d測量得到的所有衍射峰信號進行背底扣除和擬合分析，根據積分強度得到某空間方向下每個晶面的權重份額，同時通過比較零磁場和施加磁場下測得的衍射峰位置變化得到某空間方向下每個晶面的磁致應變貢獻；

f.測量完成

將每個晶面的權重份額和磁致應變貢獻加權相乘得到任意空間方向上的磁致應變值，并繪制出樣品內部磁致應變三維空間分布圖。

步驟b中，所述的磁場為永磁體或電磁鐵中的一種。

本發明的測量材料內部磁致應變三維空間分布的方法，使用中子光源、測角臺和探測器形成的衍射實驗幾何布局，測量磁場施加前后樣品在全部空間方向范圍內的所有晶面變化，實現了任意方向上磁致應變分布的非接觸式準確測量。使中子光源入射束、測角臺、樣品、出射束和探測器中心均處于同一水平高度，通過測角臺的自轉和旋轉調節樣品特定空間方向，并在該方向下掃描測量樣品內所有晶面，分別得到每個晶面的權重份額和磁致應變貢獻，將兩者加權相乘得到任意空間方向上的磁致應變值。

本發明的測量材料內部磁致應變三維空間分布的方法，適用于具有強磁彈性能的軟磁智能材料的磁致應變測量，也可類推用于包括壓電式智能材料電致應變在內的其它物理場誘發應變等空間分布的測量，解決了現有磁致應變測量方法的測量方向局限單一、測量精度易受樣品狀態影響等問題。

附圖說明

圖1為本發明的測量材料內部磁致應變三維空間分布的方法的衍射實驗幾何布局結構示意圖；

圖2為本發明的測量材料內部磁致應變三維空間分布的方法中的樣品三維空間定義示意圖；

圖3為本發明的測量材料內部磁致應變三維空間分布的方法的工作流程圖；

圖中，1.測角臺2.承重臺3.自旋盤4.樣品桿5.磁場n極6.樣品7.磁場s極8.旋轉圓9.中子光源10.入射束11.出射束12.探測器。

具體實施方式：

下面結合附圖對本發明做進一步詳細說明。

如圖1所示，本發明的測量材料內部磁致應變三維空間分布的方法的衍射實驗幾何布局如下：測角臺1放置在承重臺2上，自旋盤3安裝在測角臺1的旋轉圓8內圈，沿旋轉圓8內圈旋轉，自旋盤3的上部從下至上依次固定樣品桿4、磁場n極5、樣品6和磁場s極7，樣品桿4、磁場n極5、樣品6和磁場s極7的中心線重合，在自旋盤3自轉和自旋盤3沿旋轉圓8內圈旋轉的過程中，樣品6所處的磁場方向始終保持與樣品6的長軸平行；中子光源9和探測器12在測角臺1兩側對稱布置，中子光源9的中心、測角臺1的中心和探測器12的中心位于同一水平高度。磁場為永磁體或電磁鐵。

樣品6的方位角和如圖2所示。

實施例1：

如圖3所示，本發明的測量材料內部磁致應變三維空間分布的方法的具體步驟如下：

a.幾何布局

將測量方位角用的測角臺1安裝固定在已清空復位的承重臺2上，自轉盤3安裝在旋轉圓8并將其自轉和旋轉角均歸零位。中子光源9和探測器12分別位于測角臺1的兩側，且中子光源9、探測器12的中心分別于旋轉圓8的圓心的連線之間夾角的角平分線與測角臺1垂直圓面平行。

b.樣品安裝

將樣品桿4固定在自轉盤3上，樣品6安裝固定在磁場n極5和磁場s極7形成的磁場均勻區內，并一起安裝在樣品桿4上。調節樣品桿4位置，使樣品6的中心部位處于旋轉圓8的圓心。通過操作自轉盤3將樣品6的初始狀態調節至和兩個方位角均為零，即為豎直安裝狀態。

c.零磁場下測量

使磁場n極5和磁場s極7形成的磁場處于關閉狀態，即樣品6位于零磁場區域。通過使探測器12繞承重臺1的z軸旋轉選擇樣品6的第i個測量晶面(hkl)i，(hkl)i為該晶面的晶面指數。此時，中子光源9發出的入射束10和經過樣品的出射束11之間夾角達到與該晶面唯一對應的角度值2qhkl,i。通過承重臺1的自轉，使之處于2qhkl,i角的角平分線上。將入射束10和出射束11尺寸限定至兩束交匯區域始終在樣品6的內部，保持探測器12接收的衍射峰信號均為來自樣品6。在該幾何布局下，通過自轉盤3的自轉和自轉盤3沿著旋轉圓8的內圈旋轉調節和兩個方位角，每間隔一定角度下進行測量，直至在0~90°和在0~360°范圍（按樣品對稱性，認為已經覆蓋全部空間方向）均測量完畢。