本發(fā)明屬于材料物理性能分析檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種測(cè)量材料內(nèi)部磁致應(yīng)變?nèi)S空間分布的方法。

背景技術(shù)：

受磁驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)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(dòng)器及高精度傳感器等核心元器件的候選材料之一，在國(guó)防軍工、航空航天、海洋工程、精密加工、自動(dòng)控制等高新技術(shù)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。因此，這類新型智能材料引起世界范圍內(nèi)的關(guān)注，許多國(guó)家投入大量技術(shù)力量競(jìng)相進(jìn)行材料和器件研發(fā)。材料性能測(cè)試是掌握材料功效行為和器件設(shè)計(jì)開發(fā)的重要基礎(chǔ)。因而，磁致應(yīng)變分布測(cè)量是各個(gè)研究環(huán)節(jié)的重要一環(huán)。目前磁致應(yīng)變測(cè)量有光學(xué)（干涉法、光杠桿法）和電學(xué)（電阻法、電容法）兩種方法。邁克爾干涉法根據(jù)被測(cè)試樣伸長(zhǎng)或縮短引起干涉條紋在視場(chǎng)中的移動(dòng)數(shù)目來(lái)測(cè)量確定磁致應(yīng)變。光杠桿法在干涉法相似測(cè)量布局基礎(chǔ)上結(jié)合機(jī)械杠桿將微位移放大。電阻應(yīng)變片法利用粘貼在被測(cè)試樣表面的應(yīng)變片和放大電路測(cè)得應(yīng)變片敏感柵電阻大小推導(dǎo)求得微小位移變化。差動(dòng)電容法則利用被測(cè)試樣伸縮導(dǎo)致兩側(cè)電容分別變大與變小的差動(dòng)式、振蕩變化測(cè)量應(yīng)變大小。上述方法中，干涉法、光杠桿法和電容法均僅適于測(cè)量試樣一個(gè)維度方向（如試樣長(zhǎng)度方向）的磁致應(yīng)變。電阻法可借助粘貼應(yīng)變片數(shù)量和布局實(shí)現(xiàn)試樣不同維度方向上（如試樣長(zhǎng)度和垂直長(zhǎng)度方向）的應(yīng)變測(cè)量。然而，由于需通過(guò)樣品表面粘貼應(yīng)變片的方式，電阻法并不適于測(cè)量樣品內(nèi)部任意方向上的應(yīng)變大小。

從材料晶體學(xué)角度，不同的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性均會(huì)導(dǎo)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(nèi)部不同方向上磁致應(yīng)變大小的分布信息，以促進(jìn)新型材料的開發(fā)和潛在應(yīng)用的挖掘。在目前已有磁致應(yīng)變測(cè)量方法存在測(cè)量方向受限、易受樣品表面狀態(tài)和測(cè)量環(huán)境影響等缺點(diǎn)的技術(shù)背景下，實(shí)現(xiàn)材料內(nèi)部磁致應(yīng)變?nèi)S空間分布的可靠準(zhǔn)確的測(cè)量方法十分必要，是充分理解材料性能的基礎(chǔ)前提。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種測(cè)量材料內(nèi)部磁致應(yīng)變?nèi)S空間分布的方法。

本發(fā)明的測(cè)量材料內(nèi)部磁致應(yīng)變?nèi)S空間分布的方法，其特點(diǎn)是，所述的方法中采用的測(cè)量設(shè)備及其連接關(guān)系如下：測(cè)角臺(tái)放置在承重臺(tái)上，自旋盤安裝在測(cè)角臺(tái)的旋轉(zhuǎn)圓內(nèi)圈，沿旋轉(zhuǎn)圓內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，自旋盤的上部從下至上依次固定樣品桿、磁場(chǎng)n極、樣品和磁場(chǎng)s極，樣品桿、磁場(chǎng)n極、樣品和磁場(chǎng)s極的中心線重合，在自旋盤自轉(zhuǎn)和自旋盤沿旋轉(zhuǎn)圓內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，樣品所處的磁場(chǎng)方向始終保持與樣品的長(zhǎng)軸平行；在中子光源、測(cè)角臺(tái)和探測(cè)器形成的衍射實(shí)驗(yàn)幾何布局下測(cè)量樣品的內(nèi)部磁致應(yīng)變?nèi)S空間分布。

所述的方法包括以下步驟：

a.衍射實(shí)驗(yàn)幾何布局

中子光源和探測(cè)器在測(cè)角臺(tái)兩側(cè)對(duì)稱布置，中子光源的中心、測(cè)角臺(tái)的中心和探測(cè)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(chǎng)n極和磁場(chǎng)s極形成的磁場(chǎng)均勻區(qū)內(nèi)，并將樣品的方位角和調(diào)節(jié)至歸零狀態(tài)；

c.零磁場(chǎng)下測(cè)量

在磁場(chǎng)關(guān)閉狀態(tài)下，對(duì)樣品在全部空間方向范圍內(nèi)所有的晶面進(jìn)行測(cè)量；

d.磁場(chǎng)下測(cè)量

在磁場(chǎng)開啟狀態(tài)下，對(duì)樣品在全部空間方向范圍內(nèi)所有的晶面進(jìn)行測(cè)量；

e.數(shù)據(jù)處理

對(duì)步驟c和步驟d測(cè)量得到的所有衍射峰信號(hào)進(jìn)行背底扣除和擬合分析，根據(jù)積分強(qiáng)度得到某空間方向下每個(gè)晶面的權(quán)重份額，同時(shí)通過(guò)比較零磁場(chǎng)和施加磁場(chǎng)下測(cè)得的衍射峰位置變化得到某空間方向下每個(gè)晶面的磁致應(yīng)變貢獻(xiàn)；

f.測(cè)量完成

將每個(gè)晶面的權(quán)重份額和磁致應(yīng)變貢獻(xiàn)加權(quán)相乘得到任意空間方向上的磁致應(yīng)變值，并繪制出樣品內(nèi)部磁致應(yīng)變?nèi)S空間分布圖。

步驟b中，所述的磁場(chǎng)為永磁體或電磁鐵中的一種。

本發(fā)明的測(cè)量材料內(nèi)部磁致應(yīng)變?nèi)S空間分布的方法，使用中子光源、測(cè)角臺(tái)和探測(cè)器形成的衍射實(shí)驗(yàn)幾何布局，測(cè)量磁場(chǎng)施加前后樣品在全部空間方向范圍內(nèi)的所有晶面變化，實(shí)現(xiàn)了任意方向上磁致應(yīng)變分布的非接觸式準(zhǔn)確測(cè)量。使中子光源入射束、測(cè)角臺(tái)、樣品、出射束和探測(cè)器中心均處于同一水平高度，通過(guò)測(cè)角臺(tái)的自轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)樣品特定空間方向，并在該方向下掃描測(cè)量樣品內(nèi)所有晶面，分別得到每個(gè)晶面的權(quán)重份額和磁致應(yīng)變貢獻(xiàn)，將兩者加權(quán)相乘得到任意空間方向上的磁致應(yīng)變值。

本發(fā)明的測(cè)量材料內(nèi)部磁致應(yīng)變?nèi)S空間分布的方法，適用于具有強(qiáng)磁彈性能的軟磁智能材料的磁致應(yīng)變測(cè)量，也可類推用于包括壓電式智能材料電致應(yīng)變?cè)趦?nèi)的其它物理場(chǎng)誘發(fā)應(yīng)變等空間分布的測(cè)量，解決了現(xiàn)有磁致應(yīng)變測(cè)量方法的測(cè)量方向局限單一、測(cè)量精度易受樣品狀態(tài)影響等問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的測(cè)量材料內(nèi)部磁致應(yīng)變?nèi)S空間分布的方法的衍射實(shí)驗(yàn)幾何布局結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的測(cè)量材料內(nèi)部磁致應(yīng)變?nèi)S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(fā)明的測(cè)量材料內(nèi)部磁致應(yīng)變?nèi)S空間分布的方法的工作流程圖；

圖中，1.測(cè)角臺(tái)2.承重臺(tái)3.自旋盤4.樣品桿5.磁場(chǎng)n極6.樣品7.磁場(chǎng)s極8.旋轉(zhuǎn)圓9.中子光源10.入射束11.出射束12.探測(cè)器。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，本發(fā)明的測(cè)量材料內(nèi)部磁致應(yīng)變?nèi)S空間分布的方法的衍射實(shí)驗(yàn)幾何布局如下：測(cè)角臺(tái)1放置在承重臺(tái)2上，自旋盤3安裝在測(cè)角臺(tái)1的旋轉(zhuǎn)圓8內(nèi)圈，沿旋轉(zhuǎn)圓8內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，自旋盤3的上部從下至上依次固定樣品桿4、磁場(chǎng)n極5、樣品6和磁場(chǎng)s極7，樣品桿4、磁場(chǎng)n極5、樣品6和磁場(chǎng)s極7的中心線重合，在自旋盤3自轉(zhuǎn)和自旋盤3沿旋轉(zhuǎn)圓8內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，樣品6所處的磁場(chǎng)方向始終保持與樣品6的長(zhǎng)軸平行；中子光源9和探測(cè)器12在測(cè)角臺(tái)1兩側(cè)對(duì)稱布置，中子光源9的中心、測(cè)角臺(tái)1的中心和探測(cè)器12的中心位于同一水平高度。磁場(chǎng)為永磁體或電磁鐵。

樣品6的方位角和如圖2所示。

實(shí)施例1：

如圖3所示，本發(fā)明的測(cè)量材料內(nèi)部磁致應(yīng)變?nèi)S空間分布的方法的具體步驟如下：

a.幾何布局

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

b.樣品安裝

將樣品桿4固定在自轉(zhuǎn)盤3上，樣品6安裝固定在磁場(chǎng)n極5和磁場(chǎng)s極7形成的磁場(chǎng)均勻區(qū)內(nèi)，并一起安裝在樣品桿4上。調(diào)節(jié)樣品桿4位置，使樣品6的中心部位處于旋轉(zhuǎn)圓8的圓心。通過(guò)操作自轉(zhuǎn)盤3將樣品6的初始狀態(tài)調(diào)節(jié)至和兩個(gè)方位角均為零，即為豎直安裝狀態(tài)。

c.零磁場(chǎng)下測(cè)量

使磁場(chǎng)n極5和磁場(chǎng)s極7形成的磁場(chǎng)處于關(guān)閉狀態(tài)，即樣品6位于零磁場(chǎng)區(qū)域。通過(guò)使探測(cè)器12繞承重臺(tái)1的z軸旋轉(zhuǎn)選擇樣品6的第i個(gè)測(cè)量晶面(hkl)i，(hkl)i為該晶面的晶面指數(shù)。此時(shí)，中子光源9發(fā)出的入射束10和經(jīng)過(guò)樣品的出射束11之間夾角達(dá)到與該晶面唯一對(duì)應(yīng)的角度值2qhkl,i。通過(guò)承重臺(tái)1的自轉(zhuǎn)，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(qū)域始終在樣品6的內(nèi)部，保持探測(cè)器12接收的衍射峰信號(hào)均為來(lái)自樣品6。在該幾何布局下，通過(guò)自轉(zhuǎn)盤3的自轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)盤3沿著旋轉(zhuǎn)圓8的內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)和兩個(gè)方位角，每間隔一定角度下進(jìn)行測(cè)量，直至在0~90°和在0~360°范圍（按樣品對(duì)稱性，認(rèn)為已經(jīng)覆蓋全部空間方向）均測(cè)量完畢。

按上述步驟選擇第n個(gè)測(cè)量晶面(hkl)n。在該布局下，對(duì)和兩個(gè)方位角間隔取值進(jìn)行測(cè)量，直至在0~90°和y在0~360°范圍均測(cè)量完畢。

如此循環(huán)，直至所有測(cè)量晶面均測(cè)量完畢。

d.磁場(chǎng)下測(cè)量

使磁場(chǎng)n極5和磁場(chǎng)s極7形成的磁場(chǎng)處于開啟狀態(tài)，即樣品6位于磁場(chǎng)大小為h的均勻區(qū)域。重復(fù)零磁場(chǎng)下測(cè)量步驟，直至所有測(cè)量晶面在全部空間方向范圍內(nèi)測(cè)量完畢。

e.數(shù)據(jù)處理

上述測(cè)量中，在空間方向下對(duì)晶面(hkl)i進(jìn)行單次測(cè)量均可得到在該空間方向取向排列的晶面對(duì)應(yīng)的衍射峰信號(hào)。對(duì)該信號(hào)進(jìn)行背底扣除和擬合分析后，可得到衍射峰的積分強(qiáng)度ihkl,i和峰位置2qhkl,i。積分強(qiáng)度ihkl,i和參數(shù)shkl,i、該取向晶面含量vhkl,i有關(guān)，即：

ihkl,i=shkl,i?vhkl,i…………………………………(1)

定義chkl,i為shkl,i的倒數(shù)，則式(1)變?yōu)椋?/p>

vhkl,i=chkl,i?ihkl,i……………………………………(2)

于是，在空間方向下，晶面(hkl)i取向所占權(quán)重份額為νhkl,i：

……………………………………(3)

參數(shù)shkl,i與材料結(jié)構(gòu)、晶面和測(cè)量幾何布局有關(guān)。在樣品材料已知和測(cè)量幾何布局固定的情況下，可通過(guò)查資料即知參數(shù)shkl,i。這樣，式(3)中的chkl,i亦為已知常數(shù)。

考慮到材料內(nèi)部晶粒取向狀態(tài)不會(huì)因施加磁場(chǎng)而改變，根據(jù)零磁場(chǎng)下測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合式(3)即可得到空間方向下晶面(hkl)i取向所占權(quán)重份額。在該空間方向下，通過(guò)比較零磁場(chǎng)和磁場(chǎng)h下測(cè)量分析得到的晶面(hkl)i衍射峰位置的變化，即可得到該晶面的磁致應(yīng)變貢獻(xiàn)λhkl,i：

……………………(4)

考慮權(quán)重效應(yīng)后，空間方向下的磁致應(yīng)變λ為：

………(5)

f.測(cè)量完成

根據(jù)零磁場(chǎng)和磁場(chǎng)下所有測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合式(5)得到樣品6內(nèi)部任意空間方向上的磁致應(yīng)變大小，據(jù)此繪制出樣品6內(nèi)部磁致應(yīng)變?nèi)S空間分布圖。

本發(fā)明不局限于上述具體實(shí)施方式，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員從上述構(gòu)思出發(fā)，不經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)，所作出的種種變換，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。