AAES
近日，盐城工业职业技术学院Chenjian Dong团队在Archives of Advanced Engineering Science (AAES, eISSN: 2972-4325)期刊上发表了题为《用于研究金属磁塑性的磁场和设备》的论文。
摘要
本文介绍了金属材料的磁塑性现象，还介绍了使用恒定磁场和变磁场进行磁处理的方法。通过比较实验研究中使用的恒定磁场和交变磁场的特点，介绍了一种计算电磁铁芯间隙中磁场的方法、电磁铁芯之间的间隙和线圈绕组中的电流强度对磁场感应的影响、样品及其主变形轴相对于磁场线的垂直和平行取向方案、以及在金属样品实验室测试中产生磁塑性效应的设备的组成。本文中还给出了永磁体、电感应器和磁场集中器的类型，最终明确讨论了磁塑性实验研究的发展前景。
问题阐述
尽管针对磁塑性的研究已有几十年的历史，但由于其表现形式和用途的多样性，它仍然是一个热门的研究课题。本文的研究目的是对用于产生金属磁塑性效应的磁场、试验类型以及研究此类效应所使用的试验设备（在金属实验中使用）进行描述与呈现。磁场通常分为弱磁场（感应强度不超过0.05T）、中磁场（0.05-4 T）、强磁场（4-100 T）和超强磁场（100 T 以上）。材料受磁场影响的表现形式为脉冲的、恒定的或可变的。脉冲磁化单元可在几分之一秒的短时间内产生高达32 MA/m的高强度磁场。永磁磁场的强度较低，最高为16 MA/m，但材料可长时间暴露在磁场中。使用永磁体、电感器和电磁铁可以产生恒定和可变磁场。多种永磁体的选择使得制造紧密型研究设备成为可能。同时，多种形状的永磁体（圆柱形、板形、环形等）也让测试各种形状的金属样品成为可能。但是，永磁体的磁场强度仍然相对较小，很难找到表面磁感应强度超过1 T的磁体。而且，磁场强度将随着与磁体表面距离的增加而急剧下降。电磁铁由磁线圈和磁芯组成。磁芯由低矫顽力和低残余磁感应强度的软磁材料制成。因此，通过改变线圈绕组中的电流强度就可以将产生的磁场从几乎为零变为最大值。磁芯的最佳材料是Armco-iron，即铁与硅、钴或镍的合金。
在具有恒定磁场的电磁铁中，线圈绕组中存在恒定电流。所需的电流值可通过带电源变压器的可调电源进行设置。为产生交变磁场，线圈绕组中会存在交变电流。电流频率转换器可调节磁场振荡的频率。为了产生高强度交变磁场，需要以一定的重复频率产生一系列大电流电脉冲。脉冲电流源配备有电容器组以获得高电流值。磁芯间隙中的磁感应强度无法实现无限增加，并且不受电感器产生的外部磁场大小的限制，而是受磁芯磁性状态的限制。磁芯材料具有饱和磁感应强度，通常为1.5-2.5 T。变形区磁场的均匀性是磁性加工最重要的特征之一，它与磁场力一起决定了磁性加工的应用质量和效率。当横截面尺寸远大于间隙时，可以观察到磁场的均匀性。电磁铁的磁场感应直接取决于通过线圈的电流强度和磁芯两端之间的距离。因此，通过调节线圈中的电流和改变磁芯间隙的大小可以改变磁场感应的大小。在恒定电流强度下（所用电磁铁的最大值为14A），本文作者研究了直径为100毫米的电磁铁圆芯之间的间隙大小对磁场强度的影响。间隙大小从10毫米到115毫米不等。感应和间隙宽度之间的关系为幂律。当间隙减小到10-30毫米时，磁场强度急剧增加。间隙值越大效果越差，磁场强度越弱。而且，由于电磁铁本身的尺寸不断增大，其磁芯的导磁性能也受到限制，因此在实际应用中很难根据磁铁线圈的电气特性在大间隙中增加磁场。因此，可以假定磁场有效影响区的宽度不超过30毫米，这也决定了所研究的金属样品的尺寸。
为了评估电流强度对气隙中磁感应强度的影响，本文作者测试了电流强度在7至14A之间变化的电磁铁。磁芯之间的间隙恒定为115毫米。这样的间隙大小使得能够在电磁铁磁芯之间放置金属变形测试设备（即液压冲压机）。感应与电流强度之间呈线性关系。图表中所呈现出的陡度表明使用高电流强度来产生强磁场具备有效性（通常是唯一选择）。体现磁塑性效应需要将金属中的机械应力和外部磁场的作用结合起来。测试在磁感应强度约为1T的恒定磁场中进行，这相当于可以制造出具有平均场强的电感器。磁场的影响贯穿整个测试过程。可变磁场可将磁感应强度提高到2.5T，甚至7T，但作用时间很短，仅为0.05-2.0秒。在样品处理过程中使用脉冲（多次）开启磁场。目前，还无法明确指出哪种磁场类型（恒定磁场或交变磁场）对创造磁塑性条件最有效。目前还没有在相同变形条件下对相同材料进行恒定磁场和交变磁场变化的实验。
研究展望
由于研究目前还处于实验室阶段，因此呈现得最多的是关于金属样品的标准机械测试。其中，拉伸试验是首要的。拉伸试验时，实验室拉伸机与一组设备配合使用，在样品拉伸区产生磁场。磁场线（感应）通常垂直于样品的变形轴，平行的情况较少。金属蠕变的试验方法也是如此，样品被置于磁场中，受到一定拉伸应力的机械载荷；或者是拉伸疲劳试验方法，样品被置于磁场中，受到循环交变的机械载荷。磁场线相对于样品变形主轴的方向对测试结果有很大影响。在磁场方向与样品变形方向垂直的情况下，大多数测试结果都是正面的。这是由于磁塑效应的共振特性。同时，与相对简单的空心电磁线圈相比，该设备的设计更为复杂，包含带磁芯的电磁线圈，而磁芯的作用则由样品本身承担。在使用带磁芯的电磁铁时，磁场强度受到线圈的电气参数和磁芯间隙的限制。将样品和拉伸试验机的设备放置在电磁铁线圈之间，以防止磁芯接近到最小距离。为增强变形区的磁场，我们使用了具有不同端面形状的集中器。集中器由低碳钢制成长方形，两端的形状可以不同，取决于样品的形状，应确保可以产生尽可能大的磁场强度。使用集中器并不能解决变形区磁场的均匀性问题，它只是一种在金属变形区产生更强磁场的技术手段。磁塑性的影响不仅体现在金属的塑性变形过程中，还体现在金属热处理后残余内应力的松弛形式上。
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在上述实验中，样品仅暴露在电感器的磁场中。在使用相对简单的磁性装置进行研究的现阶段，实验所取得的成果不再是引起新奇感，而是让人豁然开朗。磁塑性研究的发展在于与磁共振现象的融合。实验研究也是如此。因此，建立一个具有交叉恒定磁场和可变磁场的装置意义非凡。
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文章链接
https://ojs.bonviewpress.com/index.php/AAES/article/view/1711
作者介绍
Chenjian Dong，盐城工业职业技术学院
Maksym Kraiev，Rocket and Space Industry
学校简介
盐城工业职业技术学院，中国
盐城工业职业技术学院是盐城地区第一所省属公办高职学院，是服务地方经济主战场的省级示范性综合型高职学院，是江苏省中国特色高水平高职学校、高水平专业群建设单位。学校设置智能制造学院、商学院、汽车与交通学院、建筑工程学院等13个教学机构。学校建有国家及省财政资助的实训基地6个、省产教深度融合实训平台2个、省产教深度融合集成平台1个、省示范性虚拟仿真实训基地2个、省级技术研发中心4个、省级技术转移中心1个、省级创业示范基地1个，优秀教科研团队70余项，拥有“全国党建工作样板支部”建设单位2个。
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