應(yīng)力和晶粒組織對(duì)磁疇動(dòng)態(tài)特性的影響

劉煥宇 ， 許宇帆 ， 葉家樂 ， 唐夢(mèng)婷 ， 劉樂平 ， 魏亮輝 ， 邱發(fā)生

（無損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)），南昌 330063）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)化水平的不斷發(fā)展，鐵磁性材料廣泛應(yīng)用于航空、航天、鐵路、橋梁、特種設(shè)備等領(lǐng)域。鐵磁性構(gòu)件在使用過程中，由于長(zhǎng)期的應(yīng)力載荷和環(huán)境腐蝕等因素的影響，難以避免會(huì)出現(xiàn)一些影響工件使用壽命的潛在損傷，造成安全隱患[1-2]。在鐵磁性材料的缺陷或不連續(xù)處，一般都伴有應(yīng)力集中的現(xiàn)象[3]，而應(yīng)力集中會(huì)對(duì)鐵磁性材料的宏觀磁響應(yīng)（磁巴克豪森噪聲、磁聲發(fā)射、磁記憶等）造成影響。楊理踐等[4]分析了Q235鋼板的巴克豪森信號(hào)與應(yīng)力之間的關(guān)系及特性，結(jié)果表明，激勵(lì)頻率在20 Hz時(shí)，巴克豪森信號(hào)較強(qiáng)且穩(wěn)定，并隨拉應(yīng)力的增大而增大。張召泉等[5]以鐵磁板為例，沿板厚度方向激發(fā)信號(hào)，根據(jù)磁巴克豪森信號(hào)傳播過程中的強(qiáng)度衰減效應(yīng)，建立了鐵磁板表面磁巴克豪森信號(hào)與材料內(nèi)部應(yīng)力定量關(guān)系的解析模型。王金鳳等[6]詳細(xì)分析了拉應(yīng)力狀態(tài)下鉆桿材料的磁聲發(fā)射信號(hào)特征,提出了利用信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)變化幅度來反映應(yīng)力改變情況的方法。樊浩等[7]通過對(duì)Q345B小孔缺陷試件及無缺陷試件在軸向拉伸時(shí)其表面磁記憶信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)可利用梯度峰值表征構(gòu)件所受的應(yīng)力。

然而，鐵磁性材料的宏觀磁響應(yīng)是由微觀磁疇運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。同時(shí)，應(yīng)力、微觀組織結(jié)構(gòu)、晶粒特性和晶界會(huì)對(duì)磁疇的運(yùn)動(dòng)造成影響。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)應(yīng)力和微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)鐵磁性構(gòu)件磁疇動(dòng)態(tài)行為影響的研究已取得一定的進(jìn)展。任文堅(jiān)等[8]利用粉紋法觀測(cè)了未經(jīng)磁化、受力程度不同的無取向硅鋼片和20鋼試樣的磁疇結(jié)構(gòu)。Liu等[9]利用磁光顯微鏡觀測(cè)了硅鋼片在低拉應(yīng)力作用下，晶粒內(nèi)部和晶界處磁疇壁的特征。Chukwuchekwa等[10]研究了鍍膜、拉應(yīng)力、試樣厚度、夾雜物及晶粒大小對(duì)高低取向硅鋼磁疇動(dòng)態(tài)行為的影響。Vashisht等[11]利用磁光克爾效應(yīng)顯微鏡觀察了電化學(xué)沉積FeCo納米棒的磁疇結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示，反向磁化過程伴隨180°磁疇壁的移動(dòng)，這種磁疇運(yùn)動(dòng)是微磁學(xué)模擬所解釋的磁交換耦合作用較強(qiáng)的表現(xiàn)，因而微磁學(xué)模擬也支持這種180°磁疇的存在。

但是，大部分研究主要集中于應(yīng)力作用下鐵磁性材料的宏觀磁特征，對(duì)磁疇運(yùn)動(dòng)的微觀機(jī)理、影響因素的研究仍存在許多不足：1）在不同磁場(chǎng)及不同應(yīng)力作用下，鐵磁性材料磁疇翻轉(zhuǎn)的微觀機(jī)理缺乏相關(guān)的研究和闡述；2）在鐵磁性材料具有不同晶粒及晶界的情況下，磁疇動(dòng)態(tài)行為特征的區(qū)別和聯(lián)系尚不明確，對(duì)于磁疇動(dòng)態(tài)行為會(huì)有差異的現(xiàn)象缺乏更加合理的解釋。

針對(duì)上述問題，以取向硅鋼片作為研究對(duì)象，采用磁光克爾成像進(jìn)行磁疇觀測(cè)，對(duì)取向硅鋼片在退磁狀態(tài)下的磁疇模式觀測(cè)與分析，研究取向硅鋼片在不同磁場(chǎng)及應(yīng)力作用下的磁疇翻轉(zhuǎn)特性，研究具有不同晶粒的取向硅鋼片在施加應(yīng)力時(shí)的磁疇動(dòng)態(tài)行為的變化情況并分析產(chǎn)生變化的原因，研究晶界對(duì)磁疇動(dòng)態(tài)特征的影響并闡述其微觀機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和樣品準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

線偏振光入射到磁化介質(zhì)表面發(fā)生反射時(shí)，偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為磁光克爾效應(yīng)。由于偏振面旋轉(zhuǎn)方向取決于磁疇中磁化矢量的方向且旋轉(zhuǎn)角與磁化強(qiáng)度成比例，由此原理可設(shè)計(jì)磁光磁疇成像裝置觀測(cè)磁介質(zhì)表面的磁疇結(jié)構(gòu)。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。磁疇成像系統(tǒng)包括光源、光路系統(tǒng)、信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、CCD相機(jī)、激勵(lì)線圈和應(yīng)力拉伸機(jī)等。磁光顯微鏡系統(tǒng)見圖1a，該裝置以LED作為光源，并通過調(diào)整LED的位置，設(shè)置所需的磁光靈敏度方向。起偏器將自然光轉(zhuǎn)變?yōu)榫€偏振光，補(bǔ)償器使線偏振光的相位延遲，線偏振光和被檢樣品磁疇發(fā)生耦合作用，使得偏振光的偏振面發(fā)生變化，檢偏器檢測(cè)出偏振面的旋轉(zhuǎn)角度，CCD相機(jī)捕捉光信號(hào)并在計(jì)算機(jī)中轉(zhuǎn)化為可視的數(shù)字圖像信號(hào)。應(yīng)力加載系統(tǒng)和激勵(lì)系統(tǒng)見圖1。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生交流或者直流信號(hào)通入功率放大器后，再接入激勵(lì)線圈中產(chǎn)生交變或者偏置磁場(chǎng)，磁化試樣。磁場(chǎng)強(qiáng)度由霍爾傳感器測(cè)得。應(yīng)力拉伸機(jī)通過旋鈕來改變應(yīng)力強(qiáng)度，并由應(yīng)力計(jì)來測(cè)定應(yīng)力幅值。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.2 樣品準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)材料為取向硅鋼，尺寸為300 mm×20 mm×0.2 mm。該材料具有(110)[001]高斯結(jié)構(gòu)。取向硅鋼易磁化方向?yàn)閇001]方向，且與扎制方向平行。本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力與磁場(chǎng)方向均與軋制方向平行。為了得到在不同應(yīng)力與晶粒組織下磁疇的特性圖，需要對(duì)試樣進(jìn)行處理：鹽酸浸泡腐蝕去涂層，用碳化硅紙粗磨，用SiO2拋光液精拋光至出現(xiàn)光滑鏡面，交流退磁。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論分析

2.1 退磁狀態(tài)下磁疇模式

磁疇在未受到外加磁場(chǎng)的影響下，受到能量最小原則的限制，磁疇的結(jié)構(gòu)和大小受到外加應(yīng)力、外界溫度、釘扎效應(yīng)的影響。圖2是被檢試樣的晶粒（晶粒1）在不同應(yīng)力退磁狀態(tài)下的磁疇圖像，圖像尺寸為300 μm×300 μm。圖中亮、暗區(qū)域分別代表每個(gè)磁疇的自磁化方向。由于本實(shí)驗(yàn)中選取的克爾靈敏度是沿著軋制[001]方向，故圖中亮區(qū)域?yàn)榇女牭拇呕较虺?，?80°磁疇，暗區(qū)域?yàn)榇女牭拇呕较虺?，?°磁疇。該2種磁疇結(jié)構(gòu)構(gòu)成了材料主疇結(jié)構(gòu)。磁疇的對(duì)比度表明了材料易磁化方向偏離軋制方向的程度。由于交換能和磁晶各向異性能滿足最小值條件，自發(fā)磁化矢量需要處在一個(gè)易磁化的方向上，故磁疇方向平行或反向平行于易磁化[001]方向，即0°或180°方向，所以樣品磁疇主要為0°、180°磁疇。試件也存在少量90°磁疇，主要在樣品的橫截面積上。在σ=0 MPa且退磁狀態(tài)下，晶粒中磁疇主要是由柳葉刀磁疇（即附加磁疇）組成，磁疇細(xì)小且分散（圖2a）；當(dāng)應(yīng)力從0 MPa 增加至 37 MPa 時(shí)，磁疇形態(tài)發(fā)生了顯著變化，由分布相對(duì)均勻且分散的柳葉刀疇變成了粗細(xì)保持相對(duì)穩(wěn)定的條狀疇（圖2b），磁疇平均寬度從σ=0 MPa時(shí)的20 μm增加到σ=20 MPa的54 μm；應(yīng)力繼續(xù)增加到74 MPa時(shí)，附加磁疇數(shù)量進(jìn)一步減少，主磁疇平均寬度降低至49 μm（圖2c）。

圖2 晶粒在不同應(yīng)力退磁狀態(tài)下磁疇圖像Fig.2 Magnetic domain images of grain under different stress demagnetization states

由此可推斷：應(yīng)力較小時(shí)，附加磁疇數(shù)目減少，合并為主磁疇，且主磁疇面積增加；當(dāng)應(yīng)力較大時(shí)，附加磁疇已經(jīng)全部轉(zhuǎn)變?yōu)闂l形磁疇，磁疇細(xì)化，主磁疇平均寬度降低。由于該晶粒存在各向異性，且該晶粒取向偏離軋制方向，與[001]方向有一定夾角，即有平面外各向異性分量。為了降低退磁能，表面形成了大量的附加磁疇閉合磁通回路。當(dāng)施加的應(yīng)力較小時(shí)，由于磁彈性效應(yīng)，[001]方向的磁疇優(yōu)先于[100]、[010]方向的磁疇。因此，附加磁疇隨應(yīng)力逐漸減少至完全消失。90°磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)橐状呕较蛏系?°或180°磁疇，故90°磁疇面積減小，主磁疇（0°和180°磁疇）面積增加。當(dāng)應(yīng)力進(jìn)一步增加時(shí)， 附加磁疇已經(jīng)全部消失，為了降低退磁能，磁疇發(fā)生細(xì)化，主磁疇平均寬度降低。

2.2 磁疇在不同磁場(chǎng)和應(yīng)力作用下的翻轉(zhuǎn)特性

在外磁場(chǎng)作用下，磁疇壁發(fā)生移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)方向和運(yùn)動(dòng)速度與釘扎強(qiáng)度、內(nèi)部應(yīng)力和磁晶各向異性等諸多內(nèi)部因素有關(guān)。同時(shí)，磁疇的動(dòng)態(tài)特性還受到外應(yīng)力、溫度等因素的影響。圖3是晶粒1在應(yīng)力為 20、60、90 MPa及外加磁場(chǎng)為0、200、400、600 A/m的磁疇圖像。在退磁場(chǎng)狀態(tài)，外加磁場(chǎng)為0 A/m且外加應(yīng)力較小條件下，0°和 180°磁疇面積相等（圖3a），宏觀磁化強(qiáng)度為0。當(dāng)施加一個(gè)沿[001]方向的外加磁場(chǎng)H后，180°疇壁發(fā)生移動(dòng)，從一個(gè)平衡位置跳躍到下一個(gè)平衡位置。在微弱磁場(chǎng)作用下，疇壁會(huì)向磁場(chǎng)方向發(fā)生可逆的微小移動(dòng)。當(dāng)外加磁場(chǎng)逐步增強(qiáng)，180°疇壁開始湮滅，疇壁在移動(dòng)過程中克服雜質(zhì)和位錯(cuò)等釘扎作用而產(chǎn)生“跳躍”，該過程的移動(dòng)是不可逆的。當(dāng)外加磁場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)時(shí)，磁疇方向與磁場(chǎng)方向平行，達(dá)到飽和狀態(tài)。對(duì)比圖3可知，在未施加和施加應(yīng)力之后，磁化過程差異較大。當(dāng)σ=20 MPa時(shí)，大部分都是密集的小附加磁疇，隨著磁場(chǎng)增加，磁疇壁小幅度移動(dòng)，磁化方向上磁疇的面積增加。當(dāng)外加磁場(chǎng)幅值由 0 A/m 增加到600 A/m 后，附加磁疇在整個(gè)磁場(chǎng)范圍內(nèi)都是存在的（圖3a～圖3d）；當(dāng)σ=60 MPa時(shí)，磁疇由點(diǎn)狀附加磁疇向長(zhǎng)條形磁疇轉(zhuǎn)變，同時(shí)在主磁疇里面保留了部分附加磁疇。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，磁疇壁發(fā)生移動(dòng)，180°磁疇面積減小直至湮滅，但是附加磁疇始終都是存在的（圖3a1～圖3d1）；當(dāng)應(yīng)力增加到σ=90 MPa時(shí)，附加磁疇基本消失，而施加一較小的磁場(chǎng)，磁疇壁便發(fā)生快速移動(dòng)至飽和狀態(tài)，且附加磁疇始終未出現(xiàn)（圖3a2～圖3d2）。從此可知，試樣在60 MPa 應(yīng)力下，磁疇完全翻轉(zhuǎn)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度為600 A/m，應(yīng)力增加到90 MPa時(shí)，磁疇完全翻轉(zhuǎn)所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度為200 A/m。

圖3 晶粒在不同的拉伸應(yīng)力和磁場(chǎng)強(qiáng)度下的磁疇狀態(tài)Fig.3 Magnetic domain state of grain under different tensile stress and magnetic field strength

由上述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可推斷出，外加磁場(chǎng)可使磁疇向磁場(chǎng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，與外加磁場(chǎng)同向的磁疇面積增加。這是因?yàn)椋幱诤愣☉?yīng)力狀態(tài)下的材料受到外加磁場(chǎng)的作用，外加磁場(chǎng)會(huì)使材料中的總能量增加，為了使系統(tǒng)再次恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，磁疇會(huì)發(fā)生合并降低疇壁能抵消部分外磁場(chǎng)能[12]，使系統(tǒng)總能量趨于最小達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在微弱磁場(chǎng)下，對(duì)于磁化矢量與外加磁場(chǎng)成銳角的磁疇有利，磁疇產(chǎn)生微小的擴(kuò)張，該過程稱之為疇壁的遷移，這種微小的移動(dòng)是可逆的。當(dāng)外加磁場(chǎng)逐步增強(qiáng)時(shí)，疇壁在移動(dòng)過程中克服雜質(zhì)和位錯(cuò)等釘扎作用而產(chǎn)生“跳躍”，即巴克豪森效應(yīng)，該過程疇壁的移動(dòng)是不可逆的。當(dāng)磁場(chǎng)進(jìn)一步增強(qiáng)時(shí)，接近于外界磁場(chǎng)方向的磁疇（0°磁疇）面積逐漸增大，與磁場(chǎng)方向垂直或相反的磁疇（90°和180°磁疇）面積減小。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一值時(shí)，磁疇磁化矢量和磁場(chǎng)方向平行，達(dá)到飽和狀態(tài)。

在應(yīng)力作用下，附加磁疇數(shù)量減少，從點(diǎn)狀附加磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)條形主磁疇，并且應(yīng)力增加會(huì)使主磁疇磁化，平均寬度減小，退磁效應(yīng)（退磁場(chǎng)）減弱，主磁疇完全翻轉(zhuǎn)所需要的磁場(chǎng)減小。這是因?yàn)?，材料受到外加載荷的作用，應(yīng)力會(huì)以應(yīng)力能的形式增加材料的能量，為使系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，磁疇會(huì)移動(dòng)到能量最小的位置上。材料中非磁性摻雜的存在導(dǎo)致磁疇移動(dòng)時(shí)受到的釘扎效應(yīng)，堆積于摻雜物附近形成微小孔洞，弱磁場(chǎng)下小磁疇的擴(kuò)張過程會(huì)吞噬彼此靠攏的磁疇壁，其表現(xiàn)為微小磁疇的擴(kuò)張和合并而降低疇壁能，最終降低系統(tǒng)總能量以抵消部分外加磁場(chǎng)能。當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，附加磁疇全部轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞔女?，磁彈性能不足以抵消?yīng)力能，磁疇需要通過細(xì)化降低磁疇寬度降低退磁能來抵消應(yīng)力能。在冶金、生產(chǎn)制造和加工過程中，鐵磁構(gòu)件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力使磁疇的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力，使得磁化過程中磁疇翻轉(zhuǎn)所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度增加。當(dāng)外部施加的應(yīng)力較小時(shí)，不足以克服材料的內(nèi)應(yīng)力，磁疇的運(yùn)動(dòng)阻力較大，移動(dòng)速度較慢，完全翻轉(zhuǎn)完畢所需要的磁場(chǎng)較大。當(dāng)外部施加的應(yīng)力足夠大時(shí)，可以抵消內(nèi)應(yīng)力的影響，磁疇在外加磁場(chǎng)下翻轉(zhuǎn)和移動(dòng)變得容易，使得磁疇翻轉(zhuǎn)完畢至飽和狀態(tài)所需要的外加磁場(chǎng)較小。

2.3 晶粒特性對(duì)磁疇動(dòng)態(tài)特性的影響

以上討論了同一晶粒在外加磁場(chǎng)和應(yīng)力下磁疇模式和動(dòng)態(tài)特性。為了減小偶然因素的影響，進(jìn)一步探究不同晶粒磁疇是否存在共同動(dòng)態(tài)特征以及晶粒特性對(duì)磁疇動(dòng)態(tài)特征的影響，以下討論不同晶粒在相同應(yīng)力以及磁場(chǎng)條件下磁疇動(dòng)態(tài)特性的差異。

圖4為不同晶粒（晶粒1、2）在160 A/m磁場(chǎng)下，應(yīng)力為0、37、74 MPa時(shí)的磁疇圖像。

在晶粒1中，當(dāng)σ=0 MPa時(shí)，大部分是密集的附加磁疇（圖4a）；當(dāng)σ=37 MPa時(shí)，附加磁疇數(shù)量大量減少，轉(zhuǎn)變?yōu)闂l狀主磁疇，同時(shí)主磁疇中仍保留有少量的附加磁疇（圖4b）；當(dāng)σ=74 MPa時(shí)，附加磁疇全部消失，磁疇對(duì)比度更加清晰，主磁疇寬度減少（圖4c）。由圖4a～圖4c對(duì)比可知，在晶粒1中，附加磁疇從點(diǎn)狀磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)條形磁疇，附加磁疇數(shù)量減少轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞔女牐瑧?yīng)力增加會(huì)使主磁疇平均寬度減小。

在晶粒2中，當(dāng)σ=0 MPa時(shí)，晶粒中也存在大量附加磁疇（圖4a1）；當(dāng)σ=37 MPa時(shí)，附加磁疇數(shù)量大量減少，轉(zhuǎn)變?yōu)闂l狀主磁疇，晶粒中基本都為180°磁疇，只存在少量0°磁疇（圖4b1）；當(dāng)σ=74 MPa時(shí)，附加磁疇全部消失， 180°磁疇的面積進(jìn)一步增加，只存在極少量的0°磁疇（圖4c1）。由圖4a1～圖4c1對(duì)比可知，在晶粒2中，隨著應(yīng)力的不斷增大，磁疇的動(dòng)態(tài)特性和晶粒1一樣，附加磁疇減少轉(zhuǎn)變?yōu)橹鞔女?。但不同的是，?dāng)σ=37 MPa時(shí)，晶粒2中180°磁疇的面積大于晶粒1中180°磁疇的面積；當(dāng)σ=74 MPa時(shí)，晶粒1中還有部分0°磁疇，而晶粒2磁疇基本全部轉(zhuǎn)化為180°磁疇。

圖4 不同晶粒在160 A/m不同應(yīng)力下的磁疇狀態(tài)Fig.4 Magnetic domain states of different grains under different stresses at 160 A/m

根據(jù)2.2節(jié)和圖4綜合分析可推斷出，不同晶粒內(nèi)磁疇隨應(yīng)力的變化趨勢(shì)相同，具有一定普遍規(guī)律。即不同晶粒內(nèi)磁疇隨應(yīng)力增加首先表現(xiàn)為附加磁疇的減少至消失，然后磁疇細(xì)化。但在相同外加應(yīng)力下，不同晶粒0°、180°磁疇面積隨應(yīng)力變化的程度不一樣，磁疇飽和所需要臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度也有差異。同時(shí)，附加磁疇隨應(yīng)力增加逐漸減少至消失所需要臨界應(yīng)力強(qiáng)度不一樣。造成不同晶粒磁疇動(dòng)態(tài)特性差異的主要原因?yàn)椋?/p>

1）磁疇傾角的影響。磁疇傾角控制柳葉刀磁疇產(chǎn)生，直接影響材料退磁場(chǎng)的分布及強(qiáng)度，進(jìn)而影響磁疇的動(dòng)態(tài)特性。此外，磁疇傾角與材料平面內(nèi)各向異性和平面外各向異性直接相關(guān)。

2）磁晶各向異性的影響。本實(shí)驗(yàn)所用的材料為取向硅鋼，取向硅鋼由體心立方的α-Fe晶粒組成。α-Fe晶粒在[001]晶向最易磁化，[110]晶向次之，[111]晶向最難磁化。磁晶各向異性會(huì)影響磁疇傾角，進(jìn)而影響磁疇動(dòng)態(tài)特性。故在相同磁化方向下，磁晶各向異性不同的材料，磁疇的動(dòng)態(tài)特征會(huì)不同。

3）晶粒大小的影響。當(dāng)溫度低于居里點(diǎn)后，晶粒中可能有多個(gè)自發(fā)的磁化中心，由于自發(fā)磁化交換能和磁疇表面能的約束，會(huì)在一個(gè)晶粒內(nèi)形成多個(gè)磁疇。故晶粒通常大于或等于磁疇的大小，則晶粒越細(xì)小，磁疇密度越大，晶界面積越大，晶界越曲折，則磁疇運(yùn)動(dòng)受到的阻力較大，進(jìn)而影響磁疇運(yùn)動(dòng)?？赏茢喑?，晶粒越小，磁疇的運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)越困難。

4）殘余應(yīng)力和應(yīng)變的影響。材料生產(chǎn)過程中，加熱、退火、軋制等過程都會(huì)使材料產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這些殘余應(yīng)力在晶粒之間分布極其不均勻，甚至在相同晶粒內(nèi)部不同區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力也不均勻。殘余應(yīng)力會(huì)造成磁疇在外加磁場(chǎng)下翻轉(zhuǎn)受到的阻力增大。當(dāng)材料兩端施加外加應(yīng)力時(shí)，材料總體承受該外加的宏觀應(yīng)力，而每個(gè)晶粒則會(huì)承載微觀應(yīng)力。由于彈性模量各異，在相同外加應(yīng)力下，每個(gè)晶粒引起的局部變形是不一樣的。外加應(yīng)力引起的應(yīng)力-應(yīng)變和磁滯伸縮相互作用會(huì)產(chǎn)生局部釘扎場(chǎng)，阻礙磁疇的運(yùn)動(dòng)。故不同晶粒內(nèi)彈性模量的差異會(huì)使得不同晶粒在相同應(yīng)力下的應(yīng)變有所不同，使得磁致伸縮和磁疇運(yùn)動(dòng)特性有所不同。

2.4 晶界對(duì)磁疇動(dòng)態(tài)特征的影響

圖5是試樣在應(yīng)力為20、60、90 MPa及外加磁場(chǎng)為0、200、400、600 A/m狀態(tài)下的磁疇圖像，圖中可以較清晰地分辨出晶界（晶界處較光滑）。在σ=20 MPa時(shí)，晶界周圍大部分是小附加磁疇。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，磁疇壁小幅度移動(dòng)，磁化方向上的磁疇面積增加，但晶界周圍始終存在大量小附加磁疇（圖5a～圖5d）。在σ=60 MPa時(shí)，晶界周圍附加磁疇數(shù)量減少，向條形磁疇轉(zhuǎn)變，主磁疇平均寬度增加，但晶界兩邊的附加磁疇仍然存在。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，磁疇壁發(fā)生移動(dòng)，180°磁疇面積減小，且當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加到600 A/m時(shí)，仍然存在少量的180°磁疇（圖5a1～圖5d1）。當(dāng)應(yīng)力增加到σ=90 MPa時(shí)，晶界周圍附加磁疇數(shù)量進(jìn)一步減小，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，磁疇壁發(fā)生移動(dòng)，180°磁疇面積減小，但晶界周圍附加磁疇始終都是存在的（圖5a2～圖5d2）。

圖5 不同的拉伸應(yīng)力和磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁疇狀態(tài)Fig.5 Magnetic domain states with different tensile stresses and magnetic field strengths

由晶粒內(nèi)部磁疇特性可知，晶粒內(nèi)部在一定應(yīng)力作用或者施加一較小磁場(chǎng)時(shí)，附加磁疇全部消失。但是在晶界附近，附加磁疇在較大外加應(yīng)力或者較強(qiáng)磁場(chǎng)作用下都始終存在。由此可推斷，晶界對(duì)磁疇壁的移動(dòng)有阻礙作用，晶界周圍磁疇達(dá)到飽和所需要的外加磁場(chǎng)增加。其原因?yàn)椋?/p>

1）在多晶體中，由于晶界連接著不同取向的晶粒，晶界上原子排列是不規(guī)則的，存在較多缺陷如空位、位錯(cuò)和鍵變形等，且晶界本身也是一種面缺陷。缺陷處容易形成釘扎效應(yīng)，使得磁疇壁在運(yùn)動(dòng)過程中遇到的能量起伏大，表現(xiàn)為阻礙磁疇壁的移動(dòng)。缺陷濃度越高，對(duì)磁疇壁的釘扎就越強(qiáng)；缺陷越大，對(duì)磁疇壁的釘扎也越強(qiáng)[13]。

2）當(dāng)外加磁場(chǎng)施加到試樣上時(shí)，磁通從一個(gè)晶粒流向相鄰的晶粒，由于相鄰2個(gè)晶粒的磁化矢量不一樣，磁化矢量的垂直分量在經(jīng)過晶界時(shí)不連續(xù)，使晶界產(chǎn)生磁極，該磁極在試樣內(nèi)部形成了退磁場(chǎng)，會(huì)阻礙180°疇壁的移動(dòng)[14]。

3 結(jié)論

1）磁疇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與外加磁場(chǎng)和應(yīng)力有關(guān)。應(yīng)力作用下，附加磁疇數(shù)量減少，從點(diǎn)狀附加磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)條狀主磁疇，并且應(yīng)力增加會(huì)使磁疇細(xì)化，主磁疇平均寬度減小，主磁疇完全翻轉(zhuǎn)至飽和所需要的磁場(chǎng)減小。

2）晶粒特性會(huì)影響磁疇動(dòng)態(tài)特性。晶粒越小，越不利于磁疇運(yùn)動(dòng)。晶粒內(nèi)的磁晶各向異性和加工導(dǎo)致的殘余應(yīng)力分布不均勻，使晶粒內(nèi)磁疇結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，影響磁疇運(yùn)動(dòng)。晶粒彈性模量的差異使得相同應(yīng)力下，晶粒的局部變形不同。

3）晶界也對(duì)磁疇的動(dòng)態(tài)特性有著巨大影響。由于晶界處的原子排列與兩側(cè)不同，使得晶界處易發(fā)生釘扎效應(yīng)，阻礙磁疇的運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在晶界兩側(cè)的磁化矢量不一致，使得晶界處產(chǎn)生較大磁極，形成退磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致晶界處在較大應(yīng)力及外加磁場(chǎng)下仍然存在大量的柳葉刀磁疇。