材料的磁学性能磁性材料具有能量转换存储或改变能量状态的

1、第九章 材料的磁学性能磁性材料具有能量转换、存储或改变能量状态的功能。了解材料的磁性，不仅对于发展和应用新型磁性材料是必需的，而且对于研究材料结构及相变也是必需的第一节 基本磁学性能1 材料的磁性 本源：材料内部电子的循轨和自旋运动轨道磁矩：由电子偱轨运动产生的磁矩。L为轨道角量子数，0-n-1，mB为玻尔磁子=9.2710-24Am2,磁矩的最小单元自旋磁矩：电子自旋产生的磁矩s为自旋量子数，1/2原子核磁矩：电子磁矩的1/2000，忽略不计运动电子的磁矩等于轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和原子分子是否有磁矩，决定于该原子分子的结构 次电子层排满，磁矩总和为零，对原子磁矩没有贡献 只有原子中存在未

2、被排满的电子层时，各层电子磁矩之和不为零，原子才具有磁矩，称为原子的固有磁矩例：Fe 原子结合成分子时，外层电子磁矩要发生变化，所以分子磁矩并不是单个原子磁矩的总和 原子磁性虽然是物质磁性的基础，但不能完全决定凝聚态物质的磁性。因为原子间的相互作用(包括磁的作用和静电的作用)往往对物质的磁性起着更重要的影响2 材料的磁化 磁化：物质在磁场中由于受磁场的作用呈现出一定的磁性 无外加磁场时，固有磁矩的矢量和总和为零，宏观上不呈现出磁性。磁场并不改变固有磁矩的大小，只是改变了取向，因此，材料磁化的程度可用所有原子固有磁矩mi矢量的总和来表示 磁化强度：单位体积的磁矩l 磁化强度：通过磁场中某点，垂直

3、于磁场方向单位面积的磁力线数称为磁感应强度第二节 抗磁性与顺磁性根据材料被磁化后对磁场所产生的影响,可把材料分为三类:使磁场减弱的物质称为抗磁性材料使磁场略有增强的物质称为顺磁性材料使磁场强烈增加的物质为铁磁性材料1 抗磁性的物理本质材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受到外加磁场作用所产生的抗磁距.2 顺磁性的物理本质材料的顺磁性主要来源于原子(离子)的固有磁距.在没有外加磁场时, 呈无序状态分布,在宏观上不呈现出磁性.当施加一定的外加磁场时, 为了降低静磁能,磁距必将改变与磁场之间的夹角,于是便产生了磁化.随着磁场的增强,磁距与磁场的夹角减小,磁距矢量在磁场方向上的投影不断增大,磁化不断增强.

4、3 影响材料抗磁性与顺磁性的因素(1 ) 原子结构的影响电子的循轨运动要产生抗磁距,离子的固有磁距产生顺磁距,自由电子的主要贡献是顺磁性.材料都是由原子和电子所构成,其内部既存在产生抗磁性的因素,又存在产生顺磁性的因素,属于哪种磁性材料,取决于哪种因素占主导地位.只有原子的电子完层完全填满了电子的物质，抗磁性才能表现出来，否则抗磁性就被别的磁性掩盖惰性气体的原子磁距为零,在外磁场作用下只产生抗磁距,是典型的抗磁性物质其他大多数非金属元素,形成分子时,由于共价键的作用,外层电子填满,分子不具有固有磁距,绝大多数非金属都是抗磁性物质,只有氧和石墨是顺磁性物质.金属Cu、Ag、Au、Cd、Hg等,离

5、子产生的抗磁性大于自由电子的顺磁性,因此是抗磁性的材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩。产生顺磁性的条件就是原子的固有磁矩不为零。(a)具有奇数个电子的原子或点阵缺陷。(b)内壳层未被填满的原子或离子。所有的碱金属都是顺磁性的碱土金属(Be除外)都是顺磁性的.三价金属也是顺磁性的稀土金属及过渡族元素具有强烈的顺磁性.(2 ) 温度的影响 温度对抗磁性一般没什么影响,但当金属熔化、凝固、同素异构转变,以及形成化合物时,由于电子轨道的变化和单位体积内原子数量的变化,使抗磁磁化率发生变化. 温度对顺磁性影响很大.顺磁物质原子的磁化率与温度的关系,一般通过居里定律来表示,即=C/T,C是居里常数.对于过渡

6、族金属元素,则用居里-外斯定律表达,即=C/(T+) 对铁磁性物质来说居里点(居里温度)以上是顺磁性的,其磁化率大致服从居里-外斯定律 (3)相变及组织转变的影响 当材料发生同素异构转变时,由于晶格类型及原子间距发生了变化,会影响电子运动状态而导致磁化率的变化. 当材料发生其他相变时,也会影响磁化率,影响的规律比较复杂. 加工硬化使金属的原子间距增大而密度减小,从而使材料的抗磁性减弱.(4)合金成分与组织的影响 由弱磁化率的两种金属组成固溶体时,其磁化率和成分接近于直线的平滑曲线变化. 由抗磁性金属为溶剂、强顺磁金属(或铁磁金属)为溶质形成固溶体时,情况比较复杂. 固溶体合金有序化时,合金磁化

7、率发生明显变化. 合金形成中间相(金属化合物)时,其磁化率将发生突变. 形成两相合金时,在两相区范围内,其磁化率随成分的变化呈直线关系.4 抗磁与顺磁磁化率的测量及应用(1 )用磁称法测量磁化率(2)确定合金相图中的最大溶解度曲线（3)研究铝合金的分解(4)研究材料有序无序转变(5)研究同素异构转变(6)确定再结晶温度第三节 铁磁性与反铁磁性1 铁磁材料的原子组态和原子磁距自然界种的铁磁性材料都是金属,铁磁性首先来源于原子未被抵消的自旋磁距l 决定性因素：自发磁化(自旋磁距自发地同相排列).l 材料是否具有铁磁性的关键不在于组成材料的原子本身所具有的磁距大小，而在于形成凝聚态后原子间的相互作用

8、2 自发磁化l 自发磁化：在没有外磁场的情况下，材料所发生的磁化l 金属内部的自发磁化是由于电子间的相互作用产生的.当两个原子相接近时,它们的3d和4s层的电子可以相互交换位置,迫使相邻原子自旋磁距产生有序排列.因交换作用所产生的附加能量称为交换能Eex.式中:A为交换能积分常数,S1与S2分别是两个电子的自旋动量距矢量,是两个自旋动量距夹角,S是S1和S2的模. 交换积分常数与a/r关系曲线a/r3时,A0,a/r3时,A0的情况下,当=0、cos=0时,Eex为最低值,即只有当自旋磁距同向排列时才具备能量最低的条件.u 在A0,表示沿磁化方向上的尺寸伸长,称为正磁致伸缩. 104A/m),

9、剩余磁感应值大于1T以上l 评价永磁材料性能优劣的几个重要指标:剩余磁感应强度Br、矫顽力Hc、最大磁能积(BH)max及凸起系数 l 稀土硬磁合金、铝镍钴硬磁合金、 BaFe12O19l 用途：发电机、电动机、继电器和磁电机;电子行业中的扬声器、行波管、电话耳机、受话器、指南针等6 反铁磁性l 反铁磁性物质l 任何温度下都是顺磁性l 奈尔点（反铁磁居里点）7 铁磁材料的技术磁化(1)技术磁化过程l 铁磁材料在外加磁场作用下所产生的磁化称为技术磁化(2) 磁畴壁移动的阻力l 由磁体磁化所产生的退磁场能l 由晶体内部的缺陷、应力及组织所造成的不均匀性，产生不可逆磁化的主要原因 应力理论晶体缺陷、

10、磁致伸缩效应产生第三类内应力，分布是不均匀的未磁化时畴壁处于低应力区域杂质理论l 杂质：指与基体相相差很大的弱铁磁相、非铁磁相、夹杂物和气孔等l 无外磁场时，畴壁被杂质穿孔而减少了面积，降低了畴壁能而稳定l 外磁场较小时，不能完全脱离杂质，成弯弓状，去掉外磁场，退回原来位置（畴壁可逆移动）l 外磁场大时，脱离杂质，去掉磁场，不能回到原始位置，停留在杂质较多的新位置上（不可逆杂质理论畴壁移动示意图8 影响铁磁性参数的因素(1)温度温度升高使铁磁性的饱和磁化强度Ms下降,当温度达到居里点时Ms将为零,使铁磁材料的铁磁性消失而变为顺磁性.饱和磁化强度随温度的变化T增高，Bs、Br、Hc减小(2 )

11、形变和晶粒度的影响 塑性变形晶粒大小(3) 形成固溶体及多相合金l 如果铁磁金属中溶入弱顺磁或抗磁金属形成置换固溶体，饱和磁化强度总是要降低，且随着溶质原于浓度的增加而下降。而且溶质原子价越高，降低得越剧烈l 铁磁性金属溶入强磁性元素时，如溶质组元含量较低时使Ms增加，而含量高时则使Ms降低。Fe-Mn,Fe-Ir,Fe-Rh,Fe-Ptl 铁磁性金属间形成固溶体时，其饱和磁化强度通常随成分单调连续变化l 在固溶体型磁合金中，间隙固溶体要比替换固溶体的磁性差。因此要尽量减少有害的间隙杂质(如气体等)。l 非铁磁性元素间也可能形成铁磁性固溶体（Mn-Cr,Mn-N),随溶质原子浓度的增加，Hc增加，而、Br降低l 铁磁性金属与顺磁性和抗磁性金属形成的化合物是顺磁性的，而铁磁性金属与非金属元素形成的化合物，如FeSi2、Fe3S等是铁磁性的l 在多相合金中，合金饱和磁化强度是由各组成相的饱和磁化强度以及它们的相对含量所决定l 铁素体是强铁性相l FeC3是弱铁磁性相l 合金碳化物及残余奥氏体为顺磁性相l 在钢的所有组织中除奥氏体组织呈顺磁性外，其他组织，如珠光体、贝氏体、马氏体均为强铁磁性组织l 钢的饱和磁化强度随含C量的增加而降低，退火态淬火态l 同一含C量，矫顽力淬火退火l 磁导率的变化与矫顽力相反9 铁磁性的测量与应用习 题1. 分析顺磁性、铁磁性