在弹性状态和塑性状态下，对取向硅钢片和非取向硅钢片中由拉伸应力引起的磁各向异性的多方法分析

应力通过改变硅钢片的磁各向异性和易磁化轴影响其磁性，研究采用磁巴克豪森噪声（MBN）结合电子背散射衍射（EBSD）和磁光克尔显微镜（MOKE），分析弹性与塑性应力下定向与非定向硅钢片的微观结构演变与磁性能关联机制，为无损检测提供新方法。

　　

刘佳|田贵云|曾坤|陈春军

西南交通大学机械工程学院，中国四川省成都市，610031

摘要

应力会改变铁磁材料的磁矩，从而影响磁各向异性。在塑性区域，应力会不可逆地改变晶粒取向并引入缺陷，进一步影响磁各向异性。磁巴克豪森噪声（MBN）能够敏感且无损地检测应力作用下的微观结构和微磁变化。然而，对于各向异性或各向同性材料中微观结构与应力诱导的磁各向异性之间的多尺度分析仍是一个关键挑战，这增加了通过MBN评估应力驱动的微观结构演变解释的复杂性。在本研究中，利用旋转激励场下的MBN能量来评估弹性和塑性状态下取向硅钢和非取向硅钢的应力诱导磁各向异性。通过结合电子背散射衍射和磁光克尔显微镜技术，研究了微观结构和应力对磁各向异性及磁化易轴的影响。硅钢的初始磁各向异性和磁化易轴由晶粒取向决定。塑性范围内的应力会改变取向硅钢的磁化易轴，而弹性范围内的应力会在非取向硅钢中诱导磁各向异性。本研究探讨了晶粒取向和应力对微观到宏观磁性能的多尺度影响机制，使得无需直接观察微观结构或微磁特性即可通过MBN对各向异性和各向同性材料进行微观结构表征。

引言

铁磁材料的磁各向异性是指其磁性能随磁化方向的不同而变化的现象[1]，[2]。在铁磁体中，磁各向异性表明饱和（或自发）磁化的自由能密度在不同晶体学方向上存在差异。应力会影响材料的磁畴结构，从而影响其磁各向异性。通过检测宏观电磁信号的变化来检测磁各向异性的变化，可以间接评估材料的应力分布。通过建立电磁信号、应力与磁各向异性之间的定量关系，这种方法可以开发出非接触式、高灵敏度的无损检测（NDT）方法[3]。这对于定位工程结构（如管道、高速铁路）中的应力集中区域和预测疲劳寿命至关重要，这对于确保关键基础设施的安全运行是必不可少的[4]。

应力诱导的磁各向异性是指外部应力作用于磁性材料时，导致其不同方向的磁性能发生变化的现象[5]，[6]，[7]。应力引起的磁各向异性对铁磁材料的磁化过程有显著影响。Corte-Leon等人[8]观察到，应力退火引起的各向异性取决于应力退火条件，可以诱导横向磁各向异性并改善巨磁阻效应。Nath等人[9]研究了应变状态下La_0.8Ca_0.2MnO₃外延膜的磁各向异性。磁各向异性与应变状态密切相关，其中磁化易轴沿着拉伸应变方向，表明存在正的磁致伸缩效应。

无损检测（NDT）技术在应力诱导的磁各向异性表征中具有独特优势，能够实现非侵入式、原位和动态检测。作为一种电磁NDT方法，磁巴克豪森噪声（MBN）检测能够高效、便捷且安全地快速表征应力诱导的微观结构变化[3]，[10]，[11]。MBN是一种由磁化过程中不连续的磁畴壁（DW）运动产生的弱随机噪声信号[10]。DW运动受到微观结构特征（如晶界（GBs）、空洞、沉淀物和高位错密度区域）的阻碍，这解释了为什么MBN信号同时反映了宏观磁性能和随机微观结构细节[12]，[13]，[14]，[15]。因此，与传统的磁导率和增量磁导率测量方法相比，MBN在检测应力作用下的裂纹前微观结构演变方面具有更高的灵敏度[10]，[15]。此外，MBN信号还用于评估应力下的磁各向异性。Pluta等人[16]研究了轴向磁化下的涡流功率损耗和磁滞回线以计算磁各向异性。Neslu?an等人[17]发现初始磁化易轴位于之前的轧制方向和加载方向。Maciakowski等人[18]发现MBN包络对热处理条件的敏感性高于其他经典磁性能指标。

MBN信号与微观结构观测方法（如磁光克尔（MOKE）、磁力显微镜、扫描电子显微镜（TEM）和电子背散射衍射（EBSD）相结合。这些技术用于利用MBN技术分析微观结构和机械性能如何影响磁各向异性[19]，[20]，[21]。Bükki-Deme等人[22]使用光学和电子显微镜研究了冷轧碳钢的微观结构，以解释晶粒和沉淀物微观结构对MBN取向依赖性的影响。He等人[23]，[24]研究了非取向电工钢在所有热机械加工阶段下的MBN和织构，以解释残余应力与部分再结晶钢之间的余弦关系。Piotrowski等人[25]展示了MBN信号强度随塑性变形程度的增加而增加。?ugárová等人[26]证明单轴拉伸应力会在AISI 321奥氏体不锈钢中引起一定程度的应力和磁各向异性。Amiri等人[27]使用MBN分析了在施加应力下非塑性变形和塑性变形高强度钢样品的微磁行为，发现晶粒和应力各向异性是MBN振幅变化的主要原因。

深入理解微观结构和施加应力或残余应力如何影响微观和宏观磁性能对于从多尺度角度分析材料NDT表征机制至关重要[15]，[28]。然而，在回顾当前关于应力诱导磁各向异性测试的研究时，建立微观结构与宏观物理响应之间的明确关联仍然具有挑战性，特别是对于弹性和塑性状态下的各向同性或各向异性材料。这一挑战在量化不同应力方向下微观结构对磁各向异性的影响时尤为明显。

因此，本研究利用旋转激励场下的MBN能量，研究了弹性和塑性状态下取向硅钢和非取向硅钢的应力诱导磁各向异性。结合EBSD和MOKE技术，研究了弹性和塑性状态下晶粒取向、磁畴壁运动和MBN能量的映射机制。此外，它揭示了磁化易轴如何随晶粒取向和应力方向的变化而变化。塑性范围内的应力会改变取向硅钢的磁化易轴，而弹性范围内的应力会在非取向硅钢中诱导磁各向异性。本研究旨在比较弹性和塑性变形下取向硅钢和非取向硅钢的磁化易轴的演变差异。这些发现为解释拉伸应力诱导的磁各向异性的多尺度机制提供了重要指导，为通过磁NDT技术分析织构演变和塑性损伤检测提供了理论支持，特别是在无法直接观察微观结构和微磁特性的情况下[20]。

材料与拉伸试验

硅钢板样品采用线切割电火花加工方法切割成300毫米×30毫米×0.2毫米（长度×宽度×厚度）的尺寸[28]，[29]，[30]。剪切后的样品在切割边缘200–300微米范围内存在受残余应力影响的区域[31]。这些样品经历了从弹性到塑性变形范围内的拉伸应力。定制的拉伸试验设备和相应的应力-应变曲线如图1（a）-（b）所示。

弹性和塑性状态下MBN的变化趋势

可以通过磁滞回线（磁化强度$M$与施加的磁场$H$之间的关系[39]，[50]来分析应力下的宏观磁化情况：