基于第一性原理的力磁耦合模型研究-论文.pdf

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1、2014仪表技术与传感器2014第3期InstrumentTechniqueandSensorNo．3基于第一性原理的力磁耦合模型研究刘斌，张威，杨茗涵，张强(沈阳工业大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳110870)摘要：针对金属磁记忆效应中力磁耦舍关系的复杂性，通过对磁记忆现象的分析，采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法，建立了力磁耦合关系模型。该模型充分考虑了应力集中对材料磁特性的影响，在自旋极化体系下，采用广义梯度近似法计算了力与晶格常数、原子磁矩的定量变化关系，分析了磁记忆信号与应力的定量变化关系。该模型可

2、以准确判断应力集中状态，为金属磁记忆检测机理的研究提供一种新的方法。关键词：金属磁记忆；第一性原理；应力集中中图分类号：TG115文献标识码：A文章编号：1002—1841(2014)03—0076—03StudyontheForce·-MagneticCouplingModelBasedonFirst-·PrincipleLIUBin，ZHANGWei，YANGMing—han，ZHANGQiang(SchoolofInformationScienceandEngineering，ShenyangUniversityo

3、fTechnology，Shenyang110870，China)Abstract：Forthecomplexityoftheforce—magneticcouplingrelationshipofmetalmagneticmemoryeffects，throughtheanaly—sisofmagneticmemoryphenomenon．theinfluencesofstressconcentrationeffectstothemagneticpropertiesofmaterialsisanMyzedbasedon

4、firstprinciplesdensityfunctionaltheoryplanewavepseudo—potentialmethod．Thequantitativerelationshipoftheforce，a—tomicmagneticmoment，andthelatticeconstantiscalculatedbasedonthegeneralizedgradientapproximationmethodunderthesystemofspinpolarization．Andthenthequantitat

5、iverelationshipbetweenmagneticmemorysignalandstressisstudied．Anewstudyingmethodtothemetalmagneticmemorytestingmechanismisputforward．Keywords：metalmagneticmemory；firstprinciple；stressconcentration0引言+一()(4)残余应力是材料生产和加工过程中不可避免的，属于材料的内部应力(固有应力)，在材料的使用过程当中，这些残余应式中：为原

6、子的总角动量√=l+s．力与外部的疲劳载荷叠加在一起，从而影响材料的磁性能和机未满壳层中含有几个电子，则原子总角动量为：J=L+S=械性能。金属磁记忆(MMM)作为一种新兴的无损检测方法可∑l+∑Si，此时的原子磁矩为：以有效的检测金属构件的应力集中区域。该方法在管道、锅炉、钢轨等领域已有较成功的应用J。，+g(一)t，(5)文中运用量子力学相关理论分析了铁磁材料磁性的来源，式中：g为兰德因子。并采用密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法，计算了晶体由式(5)两端点乘l，之后得到，即：磁性能随载荷作用的定量变化关系，分析了

7、金属构件应力集中g：区域表面漏磁信号的变化特征，为金属检测技术的深入研究提。兰一pr㈤2m供．『一种新的方法。原子角动量的关系有：1磁记忆效应的微观原理根据量子理论，原子中满壳层电子的总磁矩为零，对原子的固JS=1-(．，2一三+S。)(7)有磁矩没有贡献，只有未满壳层中的电子才能产生净磁矩。电子运动的轨道磁矩和自旋磁矩为：g=1+(，一L。+s)(8)／x2=一z(1)在微观世界里，角动量都是量子化的，所以有：L=￡(L+1)h(9)=(2)S=S(S+1)h(10)，=J(J+1)h(11)／x，／xz⋯g(丛业业(

8、12)+式中：l为轨道角度动量；s为自旋角度动量。所以原子净磁矩为g通过实验测定，通常取g=2，不至于有明显误差。若原子未满壳层中只有1个电子，则原子磁矩为：l，I=g／f(J+1)B(13)式中：为玻尔磁子，是原子磁矩的天然单位。原子内的原子磁矩来源于未满壳层的电子自旋，电子轨道收稿日期：2013—03—21收修改