金属磁记忆效应的第一性原理计算与实验研究.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．8(2013)086201金属磁记忆效应的第一性原理计算与实验研究水杨理践刘斌十高松巍陈立佳(沈阳工业大学信息科学与工程学院，沈阳110870)(2012年8月l4日收到；2012年12月18日收到修改稿)为研究铁磁材料应力集中区域金属磁记忆信号的产生机理及其变化规律，采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法，建立了磁记忆效应的磁力学模型；计算分析了力与磁记忆白发漏磁信号的定量变化关系．研究结果表明：力作用导致晶格畸变是磁记忆自发漏磁信号产生的根本原因；常温下，磁记忆信号随应力近似线性变化的规律与X70钢管水压爆破实验结果具有很好

2、的一致性．研究结果有助于金属磁记忆检测机理的研究．关键词：金属磁记忆，第一性原理，漏磁信号PACS：62．20．M一，07．55．GeDOI：10．7498／aps．62．086201理至今还不明确，所以磁记忆信号的可靠性和真实1引言性很难让人信服．因此，磁记忆白发漏磁信号的产生机理以及随载荷变化规律研究已经成为磁记忆钢铁等铁磁性金属材料是国民经济各个行业技术发展的关键．中常用的重要材料，在使用过程中会不同程度承本文采用密度泛函理论的平面波赝势法，计算受冲击、疲劳载荷的作用，引发早期微观损伤，从了晶体磁性能随力的定量变化关系，分析了金属磁而导致失效，引发灾难性后果．由此可见，高效、可记忆

3、自发漏磁信号产生机理．对金属磁记忆效应中靠的无损检测技术对保障设备可靠地运行和人身的力一磁耦合关系做出了理论解释和定量分析，为安全具有重要的意义．传统的漏磁法、涡流法、超金属磁记忆现象提出了一种理论解释方法．声波法等无损检测技术很难检测到尚没有形成体积缺陷的微观损伤．20世纪90年代，Doubov[1-4J2模型建立和计算方法提出的金属磁记忆法可以有效判断铁磁构件的早期损伤．虽然磁记忆法在锅炉、管件和罐件应力在工程技术领域，磁记忆检测法主要应用于钢检测等诸多领域已有较为成功的应用，但是力与铁构件的应力检测，所以本文以bcc结构Fe为初磁记忆白发漏磁信号关系的理论研究还没有统一始研究对象[

4、12]．选取的超原胞一共包含l6个原定论[5-7]．相关机理研究始终是该项技术的难点，子，是在单原胞的a，b，C三个基矢方向上分别扩现有理论包括Doubov的磁记忆理论、在环境磁场展1个单位而得到的2×2×2超原胞，掺杂C，Si，中应力作用下的应变磁化原理、磁畴不可逆理论．Mn原子位于超原胞的中心，替代1个Fe原子，实Jiles[81]基于均匀应力分布的接近原理模型等，际的掺杂比例为6．25％．采用基于密度泛函理论的都是对实验现象的总结和概括，均无法对力导致磁赝势平面波方法的CASTEP计算程序i】、局域密记忆信号产生做出准确的分析．由于缺乏深层次的度近似(1ocaldensityapp

5、roximation，LDA)[14_lJ和理论支持和系统的实验研究，磁记忆现象的物理机广义梯度近似(generalizedgradientapproximation，}国家自然科学基金专项基金(批准号：60927004)、国家自然科学基金(批准号：61141004)和国家科技支撑计划(批准号：201IBAK06B01—03)资助的课题．卡通讯作者．E—mail：syu0twenwu@sina．com⑥2013中国物理学会ChinesePhysicalSociety￡tp：／／wulixb．iphy．ac．c礼物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．62，No．8(2013)08620

6、1GGA)[17，18]的方法来处理交换关联势能，并比较两界值时，材料铁磁性就会消失．这是原子问波函数种方法的计算准确程度．强烈的交叠而使磁性消失的，与文献【29，30】的计使用CASTEP算法时，平面波基函数的截止能算结果一致．相反，在拉伸作用下，原子磁矩随晶格取400eV,k点取值16x16×16，磁特性计算考虑常数的增加线性增加，当晶格常数足够大时，由洪自旋极化_l9]．在自旋极化体系中，多数白旋电子和德法则可知，原子磁矩最后会趋向于一个极值，这少数自旋电子占据着不同的能量状态，分别计算它时相当于Fe原子间的键被拉断．计算结果表明晶们的态密度分布，两者之和给出了总态密度，两者格畸变

7、是导致材料的磁特性变化和磁记忆信号产之差为自旋态密度(SDOS)，SDOS是影响材料磁性生的基础．能的关键因素I2【J1．表2晶格被压缩和被拉伸时原子磁矩的变化3计算结果与分析在设定能量计算精度为每原子0．01eV(记为0．01eV／atom)后，首先计算了模型平衡态性质．表1给出实验数据与理论计算结果的比较，本文的理论计算值与实验值符合很好，并且与其他理论计算结果具有很好的一致性．可以看出GGA法计算的晶格常数、原胞体积和原子磁矩