張碩 龍連春? 劉靜毅 楊洋

1)(北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部,北京 100124)

2)(中國科學(xué)院物理研究所,北京 100190)

磁致伸縮材料在傳感、控制及能量與信息轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊,此類材料的性能提升及工程應(yīng)用已成為研究熱點(diǎn),但材料在制備與使用中不可避免會(huì)出現(xiàn)缺陷.本文以常用的鐵磁性材料鐵單質(zhì)為研究對(duì)象,采用分子動(dòng)力學(xué)方法分別建立無缺陷、孔洞缺陷與裂紋缺陷的鐵單質(zhì)磁致伸縮結(jié)構(gòu)模型,分析了缺陷形式對(duì)鐵單質(zhì)薄膜磁致伸縮行為的影響,并從微觀原子磁矩角度解釋缺陷對(duì)磁致伸縮行為的影響機(jī)理.結(jié)果表明:缺陷會(huì)對(duì)其周圍的原子磁矩產(chǎn)生影響,從而影響鐵單質(zhì)薄膜磁致伸縮,其中孔洞形缺陷對(duì)磁致伸縮的影響較小,裂紋形缺陷對(duì)磁致伸縮的影響較大.裂紋的方向會(huì)影響鐵單質(zhì)薄膜的磁致伸縮,與磁化方向平行的裂紋會(huì)降低材料在磁化方向上由初始狀態(tài)至磁化達(dá)到飽和的最大磁致伸縮量;與磁化方向垂直的裂紋會(huì)提高材料在磁化方向上由初始狀態(tài)至磁化達(dá)到飽和的最大磁致伸縮量.

1 引言

性能優(yōu)良且成本低廉的鐵磁性材料廣泛應(yīng)用于各類工程中,其中磁致伸縮性能較好的材料在傳感器、機(jī)械控制、線性馬達(dá)、能量收集、能量轉(zhuǎn)換、位移器件和水下聲吶掃描等領(lǐng)域呈現(xiàn)出重要的應(yīng)用價(jià)值及廣闊的應(yīng)用前景[1-3].磁致伸縮材料也常被用于制造多重鐵性的磁電復(fù)合材料[4,5],而磁致伸縮效應(yīng)的逆效應(yīng)-壓磁效應(yīng),也被應(yīng)用于鐵磁性材料的無損檢測領(lǐng)域[6].目前多數(shù)磁致伸縮材料是以鐵為基礎(chǔ)進(jìn)行合金或摻雜制成,如Terfenol-D(鋱鏑鐵合金)、Fe-Ga 合金等,因此從微觀結(jié)構(gòu)層面研究鐵單質(zhì)的磁致伸縮對(duì)改善傳統(tǒng)磁致伸縮材料性能和研制新型磁致伸縮材料均有一定幫助.

溫度、應(yīng)力、形變和缺陷等都會(huì)對(duì)材料的磁致伸縮性能產(chǎn)生影響,為了研究這些因素對(duì)磁致伸縮的影響規(guī)律,學(xué)者們已取得了諸多研究成果.Ren等[7]建立了描述多晶鐵非線性、各向異性的磁致伸縮的有限元模型,預(yù)測了多晶鐵在300—900 K 溫度范圍內(nèi)的磁致伸縮曲線.M′Zali 等[8]提出了一種識(shí)別電工鋼在機(jī)械載荷下的磁致伸縮行為的方法,并與直接測量電工鋼在不同應(yīng)力下的磁致伸縮結(jié)果對(duì)比,結(jié)果吻合良好.

缺陷對(duì)磁致伸縮材料影響的研究多集中在金屬磁記憶檢測技術(shù)[9]上.金屬磁記憶檢測技術(shù)是以壓磁效應(yīng)為基礎(chǔ)的新型無損檢測技術(shù),它通過測量鐵磁性材料的磁記憶信號(hào)來探測材料中的應(yīng)力集中區(qū)域和微型損傷,可用來評(píng)估鐵磁性材料的早期損傷[10].這項(xiàng)技術(shù)首先由Dubov[11]于1997年提出,此后研究者們開展了一系列有關(guān)無損檢測的理論和試驗(yàn)研究[12,13],快速發(fā)展形成了一套全新的無損檢測技術(shù).其技術(shù)原理基于磁致伸縮效應(yīng)中的Villari 效應(yīng)(壓磁效應(yīng)),當(dāng)鐵磁性材料在受力工作時(shí),在工作荷載的作用下,應(yīng)力會(huì)使材料內(nèi)部微觀磁疇發(fā)生變化,使得應(yīng)力集中的位置處磁疇產(chǎn)生不可逆的重新取向,并且這種不可逆的變化與所受應(yīng)力大小和方式有關(guān),因此使用金屬磁記憶檢測技術(shù)可以檢測出材料的應(yīng)力集中部位.

Dubov[11]指出鐵磁性材料應(yīng)力集中區(qū)域的切向磁信號(hào)會(huì)達(dá)到局部最大,而法向磁信號(hào)會(huì)有歸零的現(xiàn)象.Zhang 等[14]研究了帶肋鋼筋疲勞損傷與壓磁信號(hào)之間的關(guān)系,通過對(duì)HRB400 加肋鋼筋進(jìn)行單軸靜態(tài)加載和循環(huán)拉伸加載試驗(yàn),證明了這種無損檢測技術(shù)對(duì)分析帶肋鋼筋疲勞過程的有效性.宋凱等[15]將斷裂機(jī)制與位錯(cuò)理論相結(jié)合,建立了鐵磁性材料在荷載作用下應(yīng)力集中區(qū)和微觀損傷區(qū)域磁信號(hào)變化的相關(guān)模型.張衛(wèi)民等[16]通過研究中低碳鋼靜拉伸時(shí)的磁信號(hào)變化,得到了試件拉伸至塑性變形之后表面磁場強(qiáng)度的變化規(guī)律,為在彈性區(qū)域內(nèi)檢測低碳鋼的應(yīng)力變化提供了依據(jù).

盡管學(xué)者們已經(jīng)對(duì)磁致伸縮材料的制備[17]、改良[18]、測試[19]和應(yīng)用[20]等領(lǐng)域進(jìn)行了諸多研究,但缺陷對(duì)鐵磁性材料,尤其是鐵單質(zhì)的磁致伸縮的影響仍缺乏系統(tǒng)的微觀機(jī)理研究和仿真模擬機(jī)理解釋.本文采用分子動(dòng)力學(xué)方法分別構(gòu)建無缺陷、孔洞缺陷與裂紋缺陷的體心立方結(jié)構(gòu)(bcc)鐵薄膜磁致伸縮模型,研究缺陷對(duì)其磁致伸縮性能的影響,并從原子磁矩層面分析缺陷對(duì)其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化的影響機(jī)理.

2 計(jì)算方法

采用分子動(dòng)力學(xué)方法分析bcc 鐵薄膜內(nèi)缺陷對(duì)磁致伸縮和磁化構(gòu)型演化的影響.所使用的原子間勢包括EAM 勢、spin/exchange 勢[21-23]和spin/neel 勢[21].模型原始尺寸為Nx× Ny× Nz,其中Nx,Ny,Nz分別表示沿著x,y,z這3 個(gè)方向的晶格數(shù),其中晶格常數(shù)為2.86 ?,模擬盒子的尺寸為160×160×1 個(gè)晶格大小.分別建立了無缺陷、孔洞缺陷及裂紋缺陷模型,通過在模型中心刪除掉10×10×1 個(gè)晶格的原子構(gòu)建孔洞缺陷,通過在模型中心刪除掉60×2×1 和2×60×1 個(gè)晶格的原子分別構(gòu)建兩個(gè)方向的裂紋缺陷.

邊界條件為在x和y方向上設(shè)定非周期性邊界條件,z方向設(shè)定為周期性邊界條件,鐵原子的原子磁矩為2.2 μB,原子的初始磁矩方向設(shè)置為隨機(jī)分布.在300 K 溫度條件下進(jìn)行模擬,采用nve/spin系綜,并使用langevin/spin 控溫器控溫,積分步長為5 fs,數(shù)據(jù)輸出間隔為50 fs,基于LAMMPS 分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件進(jìn)行模擬.

3 結(jié)果與討論

采用上述方法模擬馳豫300 ps 并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,將馳豫平衡之后的模型輸出作為初始模型,初始模型內(nèi)各原子磁矩投影到xy面上的磁化構(gòu)型,如圖1 所示.圖中顏色越深的區(qū)域表示其原子磁矩越接近x方向或y方向,淺色區(qū)域表示原子磁矩與x方向或y方向間有較大夾角的偏轉(zhuǎn),圖中箭頭表示該區(qū)域內(nèi)原子的磁矩方向.

圖1 模型初始磁化構(gòu)型 (a)無缺陷;(b)中心10×10×1缺陷;(c)中心60×2×1 缺陷;(d)中心2×60×1 缺陷Fig.1.Initial magnetized configuration diagram of the model:(a)No defect;(b)10×10×1 defect in the center;(c)60×2×1 defect in the center;(d)2×60×1 defect in the center.

無缺陷薄膜內(nèi)原子磁矩出現(xiàn)了順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的磁化漩渦,其中磁化漩渦的中心位于模型中心處,漩渦中心到模型的四邊分成了4 個(gè)三角形區(qū)域,上下邊界處的三角形區(qū)域內(nèi)原子磁化方向分別沿x軸正方向和負(fù)方向,左右邊界處的三角形區(qū)域內(nèi)原子磁化方向分別沿y軸正方向和負(fù)方向,中心空白處原子磁矩沿z軸正方向,在x,y方向上無偏轉(zhuǎn),因此在xy面上的投影為空白.如圖1(a)所示.

與無缺陷薄膜的初始磁化構(gòu)型對(duì)比,中心有缺陷的薄膜不再產(chǎn)生磁化漩渦,而是形成了,3 種不同的磁化構(gòu)型,其中中心10×10×1 缺陷模型馳豫完成后,模型的整體磁化強(qiáng)度不再為0,而是沿x軸與y軸正方向,其中模型上下邊界處原子磁矩沿x軸正方向,左右邊界處原子磁矩沿y軸正方向,缺陷周圍大量原子磁矩沿x軸與y軸之間的過渡方向偏轉(zhuǎn).如圖1(b)所示.

中心60×2×1 缺陷模型馳豫完成后,模型的整體磁化強(qiáng)度仍大約為0,由于缺陷的存在,模型在缺陷與模型上下邊界之間形成了兩個(gè)梯形區(qū)域,梯形區(qū)域內(nèi)原子磁矩分別沿x軸負(fù)、正方向,缺陷與模型左右邊界之間形成了兩個(gè)三角形區(qū)域,三角形區(qū)域內(nèi)原子磁矩分別沿y軸負(fù)、正方向,4 個(gè)區(qū)域之間的原子磁矩則處于過渡方向.如圖1(c)所示.

中心2×60×1 缺陷模型馳豫完成后,模型的整體磁化強(qiáng)度沿y軸正方向,x,z方向的磁化強(qiáng)度依然為0,模型內(nèi)形成了由左至右將整個(gè)缺陷包含在內(nèi)的區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)原子磁矩沿y軸正方向,只有上下邊界處少部分原子磁矩分別沿x軸正、負(fù)方向,各區(qū)域之間有部分原子磁矩處于過渡方向.如圖1(d)所示.

分別將馳豫完成后的模型作為模擬的初始模型,對(duì)初始模型沿x軸正方向進(jìn)行磁化,改變磁場大小并得出磁致伸縮應(yīng)變數(shù)據(jù),取不同磁場下磁致伸縮平衡后的應(yīng)變數(shù)據(jù),做出不同磁場下磁致伸縮擬合曲線圖,如圖2 和圖3 所示.圖中橫坐標(biāo)為歸一化磁場強(qiáng)度,H為外加磁場大小,Hm為使模型磁致伸縮飽和的最大外加磁場.

圖2 不同缺陷模型在x 方向上磁致伸縮應(yīng)變Fig.2.Magnetostrictive strain in the x direction for different defect models.

圖3 不同缺陷模型在y 方向上磁致伸縮應(yīng)變Fig.3.Magnetostrictive strain in the y direction for different defect models.

由圖2 可以看出,對(duì)比x方向上的磁致伸縮應(yīng)變,與無缺陷薄膜相比,中心60×2×1 缺陷薄膜最易達(dá)到飽和磁致伸縮,其達(dá)到飽和后的磁致伸縮應(yīng)變也最小;中心10×10×1 與2×60×1 缺陷薄膜則需要較大磁場才能接近飽和,其中中心2×60×1 缺陷薄膜達(dá)到飽和后的磁致伸縮應(yīng)變最大.

圖3 為模型沿x軸正方向磁化過程中,y方向上的磁致伸縮應(yīng)變曲線圖.

由圖3 可知,對(duì)比y方向上的磁致伸縮應(yīng)變,與無缺陷薄膜相比,中心10×10×1 缺陷薄膜的收縮量有所下降.中心60×2×1 與2×60×1缺陷薄膜的收縮量有所增大,達(dá)到飽和后,中心2×60×1 缺陷薄膜的收縮應(yīng)變最大.

為進(jìn)一步探索磁化時(shí)缺陷對(duì)鐵單質(zhì)磁化構(gòu)型演化的影響,分別做出了鐵單質(zhì)薄膜在不同磁場強(qiáng)度磁化作用下達(dá)到平衡后的磁化構(gòu)型圖.圖4 為無缺陷鐵單質(zhì)磁化構(gòu)型演化圖.

由圖4 可看出,在外加0.025Hm磁場磁化作用下,無缺陷模型中心的磁化漩渦消失,原子磁矩轉(zhuǎn)向磁化方向,磁矩沿y方向的原子迅速減少.在外加0.0625Hm磁場磁化作用下,模型原子磁矩沿x軸正方向的區(qū)域面積增大,但大多數(shù)是由磁矩沿過渡方向的原子轉(zhuǎn)變而來,原子磁矩沿y方向的區(qū)域面積變化不大.在外加0.375Hm磁場磁化作用下,多數(shù)原子磁矩轉(zhuǎn)向x軸正方向,此時(shí)鐵單質(zhì)磁化已接近飽和,磁致伸縮曲線也變得平緩.在外加1Hm磁場磁化作用下,此時(shí)在強(qiáng)磁場磁化作用下,鐵單質(zhì)薄膜內(nèi)已經(jīng)沒有了原子磁矩沿y軸方向的區(qū)域,除了左右邊界處有少量原子磁矩尚未完全轉(zhuǎn)向x軸方向外,其余原子磁矩均已轉(zhuǎn)向x軸正方向.

圖4 無缺陷 鐵單質(zhì) 磁化構(gòu) 型演化 圖 (a)0.025Hm;(b)0.0625Hm;(c)0.375Hm;(d)1HmFig.4.Evolution of magnetization structure in iron film without defect:(a)0.025Hm;(b)0.0625Hm;(c)0.375Hm;(d)1Hm..

圖5 為中心10×10×1 缺陷鐵單質(zhì)在不同強(qiáng)度磁場作用下的磁化構(gòu)型演化圖.與無缺陷模型相比,在外加0.025Hm磁場磁化作用下,模型內(nèi)部并未出現(xiàn)較大的原子磁矩相同的區(qū)域.在外加0.0625Hm磁場磁化作用下,模型內(nèi)上下邊界處兩個(gè)原子磁矩沿x軸正方向的區(qū)域有融合的趨勢,但在缺陷的影響下,連接處的原子磁矩仍是處于過渡方向.外加磁場增大到0.375Hm,模型內(nèi)多數(shù)原子磁矩轉(zhuǎn)向x軸正方向,在缺陷影響下,缺陷周圍仍有部分原子磁矩處于過渡方向.當(dāng)外加磁場增大到1Hm,此時(shí)在強(qiáng)磁場磁化作用下,缺陷周圍的原子磁矩也轉(zhuǎn)向x軸正方向,只有左右邊界處有少量原子磁矩尚未完全轉(zhuǎn)向x軸方向.

圖5 中心10×10×1 缺陷鐵單質(zhì)磁化構(gòu)型演化 (a)0.025Hm;(b)0.0625Hm;(c)0.375Hm;(d)1HmFig.5.Evolution of magnetization structure in iron film with 10×10×1 defect:(a)0.025Hm;(b)0.0625Hm;(c)0.375Hm;(d)1Hm.

圖6 為中心60×2×1 缺陷鐵單質(zhì)在不同強(qiáng)度磁場作用下的磁化構(gòu)型演化圖.在外加0.025Hm磁場磁化作用下,模型在磁化作用下,4 個(gè)磁矩方向不同的區(qū)域以缺陷為中心沿順時(shí)針方向發(fā)生了一定的位移和形變,但各區(qū)域所占面積變化不大.外加磁場增大到0.0625Hm,模型在磁化作用下,原本原子磁矩沿x軸負(fù)方向的區(qū)域消失,原子磁矩沿x軸正方向區(qū)域迅速增大.外加磁場增大到0.375Hm,模型磁化已接近飽和,原子磁矩沿x軸正方向的區(qū)域已將整個(gè)裂紋完全包含在內(nèi).當(dāng)外加磁場增大到1Hm,此時(shí)模型磁化構(gòu)型圖與無缺陷模型磁化構(gòu)型圖相似,除了左右邊界處有少量原子磁矩尚未完全轉(zhuǎn)向x軸方向,其余原子磁矩均已轉(zhuǎn)向x軸正方向.

圖6 60×2×1 缺陷鐵單質(zhì)磁化構(gòu)型演化圖 (a)0.025Hm;(b)0.0625Hm;(c)0.375Hm;(d)1HmFig.6.Evolution of magnetization structure in iron film with 60×2×1 defect:(a)0.025Hm;(b)0.0625Hm;(c)0.375Hm;(d)1Hm.

圖7 為中心2×60×1 缺陷鐵單質(zhì)在不同強(qiáng)度磁場作用下的磁化構(gòu)型演化圖.在外加0.025Hm磁場磁化作用下,模型在磁化作用下,原子磁矩沿y方向的區(qū)域面積縮小,但由于缺陷的存在,模型內(nèi)附近的原子磁矩仍沿y軸方向.外加磁場增大到0.0625Hm,模型內(nèi)原子磁矩沿y方向的區(qū)域繼續(xù)縮小,但由于缺陷的存在,該區(qū)域仍占有較大面積.外加磁場增大到0.375Hm,此時(shí)其余模型磁化已接近飽和,缺陷對(duì)模型的磁化構(gòu)型有較大影響,缺陷附近的原子磁矩處于過渡方向,其在x方向的磁化效率是4 個(gè)模型中最差的.當(dāng)外加磁場增大到1Hm,此時(shí)模型內(nèi)缺陷周圍有部分原子磁矩尚未完全轉(zhuǎn)向x軸正方向.

圖7 2×60×1 缺陷鐵單質(zhì)磁化構(gòu)型演化圖 (a)0.025Hm;(b)0.0625Hm;(c)0.375Hm;(d)1HmFig.7.Evolution of magnetization structure in iron film with 2×60×1 defect:(a)0.025Hm;(b)0.0625Hm;(c)0.375Hm;(d)1Hm.

4 結(jié)論

采用分子動(dòng)力學(xué)方法,建立了含缺陷磁致伸縮bcc 鐵薄膜模型,研究了無缺陷、孔洞缺陷與裂紋缺陷對(duì)鐵單質(zhì)薄膜磁致伸縮行為的影響,并分析了沿x軸正方向磁化作用時(shí),鐵單質(zhì)磁致伸縮過程中內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化,得到以下結(jié)論:

1)缺陷的形狀和方向均影響鐵單質(zhì)薄膜的磁致伸縮性能,其中孔洞形缺陷對(duì)磁致伸縮的影響較小,裂紋形缺陷對(duì)磁致伸縮的影響較大.

2)裂紋的方向影響鐵單質(zhì)薄膜的磁致伸縮性能,若構(gòu)件中的裂紋方向與磁化方向平行,則裂紋周圍的原子更容易被磁化,從而降低構(gòu)件在磁化方向上由初始狀態(tài)至磁化達(dá)到飽和的最大磁致伸縮量;若構(gòu)件中的裂紋方向與磁化方向垂直,則裂紋周圍的原子更難被磁化,會(huì)提高構(gòu)件在磁化方向上由初始狀態(tài)至磁化達(dá)到飽和的最大磁致伸縮量.

3)若構(gòu)件中為孔洞缺陷,則當(dāng)外加磁場較小時(shí),孔洞對(duì)周圍的原子磁矩的影響較為明顯,若外加磁場較大時(shí),孔洞對(duì)周圍原子磁矩的影響會(huì)越來越小.