材料的磁学性能PPT课件

1、材料的磁学性能 第三章第三章 材料的磁学性能材料的磁学性能 材料的磁学性能 磁性不只是一个宏观的物理量，而且与物质的微磁性不只是一个宏观的物理量，而且与物质的微 观结构密切相关。它不仅取决于物质的原子结构，还观结构密切相关。它不仅取决于物质的原子结构，还 取决于原子间的相互作用取决于原子间的相互作用键合情况、晶体结构。键合情况、晶体结构。 因此，研究磁性是研究物质内部结构的重要方法之一。因此，研究磁性是研究物质内部结构的重要方法之一。 本章主要介绍有关磁性理论、磁性的现象和磁性本章主要介绍有关磁性理论、磁性的现象和磁性 分析方法在材料研究中的主要应用。分析方法在材料研究中的主要应用。 材料的磁

2、学性能 磁化磁化 物质受到磁场的作用而表现出一定的磁性。物质受到磁场的作用而表现出一定的磁性。 能够磁化的物质。能够磁化的物质。 磁介质磁介质 材料的磁学性能 电磁学中物质磁化理论的两种观点：电磁学中物质磁化理论的两种观点： （1） 分子环流观点。分子环流观点。 （2） 等效磁荷观点。等效磁荷观点。 分子电流观点分子电流观点 安培提出分子环流假说：安培提出分子环流假说： 物质中的每个磁分子都相当一个环形电流，即是物质中的每个磁分子都相当一个环形电流，即是 一个分子磁矩。一个分子磁矩。 无外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。无外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。 有外磁场时：沿磁场方

3、向排列，显现宏观磁性。有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。 材料的磁学性能 磁化强度：磁化强度：单位体积的总磁矩。单位体积的总磁矩。 m P M V 等效磁荷观点等效磁荷观点 材料的的每个磁分子就是一个磁偶极子。材料的的每个磁分子就是一个磁偶极子。 无外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。无外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。 有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。 材料的磁学性能 磁极化强度：磁极化强度：单位体积的总磁偶极矩。单位体积的总磁偶极矩。 m j J V 磁化强度和磁极化强度：磁化强度和磁极化强度： JM 0 0真空的磁

4、导率。真空的磁导率。 材料的磁学性能 磁化率：磁化率：磁化强度与外磁场强度的比值。与材料和温磁化强度与外磁场强度的比值。与材料和温 度有关度有关 MH 材料磁化强度与外磁场强度和温度有关。材料磁化强度与外磁场强度和温度有关。 M H 磁化率磁化率 材料的磁学性能 介质磁化后必然影响介质所在处的磁场介质磁化后必然影响介质所在处的磁场 BH 00 BBBHM 000 HH()H 000 1 加入介质前的磁感应强度。加入介质前的磁感应强度。 加入介质后的强度磁感应强度。加入介质后的强度磁感应强度。 令：令： r () 00 1 则：则： BH 材料的磁学性能 磁导率磁导率 材料内磁感应强度与磁场强度

5、的比值。材料内磁感应强度与磁场强度的比值。 r B () H 00 1 相对磁导率相对磁导率 r BB () HB 00 1 材料的磁学性能 物质的磁性分类物质的磁性分类 根据物质的磁化率，把物质的磁性大致分为抗磁根据物质的磁化率，把物质的磁性大致分为抗磁 体、顺磁体、反铁磁体、铁磁体和亚铁磁体。体、顺磁体、反铁磁体、铁磁体和亚铁磁体。 材料的磁学性能 1.1.抗磁体：抗磁体：为负值，很小，约在为负值，很小，约在1010-6 -6数量级。 数量级。 2.2.顺磁体：顺磁体：为正值，很小，约在为正值，很小，约在1010-3 -3 1010-6 -6数量 数量 级。级。 3.3.反铁磁体：反铁磁体

6、：为正值，很小。为正值，很小。 4.4.铁磁性体：铁磁性体：为正值，很大，约在为正值，很大，约在101010106 6数量数量 级。级。 5.5.亚铁磁体：亚铁磁体：为正值，没有铁磁性体大。为正值，没有铁磁性体大。 物质的磁性分类、磁性特征及磁化机制？物质的磁性分类、磁性特征及磁化机制？ 材料的磁学性能 物质的磁化强度、磁感应强度、磁导率等磁参量物质的磁化强度、磁感应强度、磁导率等磁参量 随磁场强度增大的变化曲线。随磁场强度增大的变化曲线。 磁化曲线磁化曲线 材料的磁学性能 铁磁体的三种磁化曲线铁磁体的三种磁化曲线 BH 铁磁性和亚铁磁性物质的磁化曲线与过程有关。铁磁性和亚铁磁性物质的磁化曲线

7、与过程有关。 抗磁、顺磁和反铁磁物质的磁化曲线与过程无关。抗磁、顺磁和反铁磁物质的磁化曲线与过程无关。 饱和磁化饱和磁化饱和磁化强度饱和磁化强度饱和磁感应强度饱和磁感应强度 材料的磁学性能 磁滞回线磁滞回线 磁化强度或磁感应强度随磁场强度变化一周形成磁化强度或磁感应强度随磁场强度变化一周形成 的闭合曲线。的闭合曲线。 材料的磁学性能 时，时， 的状态的状态退磁状态退磁状态H 0M 0 技术磁化技术磁化 从退磁状态直到饱和之的磁化过程。从退磁状态直到饱和之的磁化过程。 起始磁导率起始磁导率时的磁导率。时的磁导率。H 0 i H B lim H 0 最大磁导率最大磁导率 max 弱磁场下工作的软磁

8、材料，要弱磁场下工作的软磁材料，要 求有较大的起始磁导率，信号变压求有较大的起始磁导率，信号变压 器、电感的磁芯。器、电感的磁芯。 强磁场下工作的软磁材料，要强磁场下工作的软磁材料，要 求有较大的最大磁导率。求有较大的最大磁导率。 材料的磁学性能 剩余磁化强度剩余磁化强度剩余磁感应强度剩余磁感应强度 rr M ,B 矫顽力矫顽力 去掉磁场后的去掉磁场后的 时所需要的退磁场强度时所需要的退磁场强度 铁磁和亚铁磁材料在技术磁铁磁和亚铁磁材料在技术磁 化过程中存在不可逆过程，磁场化过程中存在不可逆过程，磁场 减小时减小时 和和 变化滞后。变化滞后。 磁滞磁滞 MB M,B 00 C H 材料的磁学性

9、能 和和 随最大磁场强度的减随最大磁场强度的减 小而减小。小而减小。 磁滞回线所围的面积。磁滞回线所围的面积。磁滞损耗磁滞损耗 通常所说的磁滞回线及其表征参数是指磁化强度通常所说的磁滞回线及其表征参数是指磁化强度 随磁场强度的变化的曲线和参数。随磁场强度的变化的曲线和参数。 r M C H 通过逐渐减小最大磁场的强通过逐渐减小最大磁场的强 度，可实现退磁。度，可实现退磁。 材料的磁学性能 、Mr和和Hc都是对材料组织敏感的磁参数，决定于都是对材料组织敏感的磁参数，决定于 材料的组成、显微组织、形态和分布等因素的影响。材料的组成、显微组织、形态和分布等因素的影响。 不同的磁性材料的应用范围也不同

10、。不同的磁性材料的应用范围也不同。 具有小具有小Hc值、高值、高的瘦长形磁滞回线的材料，适宜的瘦长形磁滞回线的材料，适宜 作软磁材料。作软磁材料。 具有大的具有大的Mr和和Hc、低、低的短粗形磁滞回线的材料适的短粗形磁滞回线的材料适 宜作硬磁宜作硬磁(永磁永磁)材料。材料。 而而MrMs从接近于从接近于 1 的矩形磁滞回线的材料，即的矩形磁滞回线的材料，即 矩磁材料则可作为磁记录材料。矩磁材料则可作为磁记录材料。 材料的磁学性能 原子由原子核和核外电子构成，核外电子在各自原子由原子核和核外电子构成，核外电子在各自 的轨道上绕核运动的同时还进行自转运动。因此，分的轨道上绕核运动的同时还进行自转运

11、动。因此，分 别具有别具有轨道磁矩轨道磁矩和和自旋磁矩自旋磁矩。 lOrbita l lSpin 轨道磁矩轨道磁矩自旋磁矩自旋磁矩 材料的磁学性能 原子核也进行自转运动也有其原子核也进行自转运动也有其自旋磁矩，但与电自旋磁矩，但与电 子磁矩相比很小，通常被忽略。子磁矩相比很小，通常被忽略。 原子磁矩原子磁矩 原子的磁矩主要由电子磁矩组成，而电子磁矩是原子的磁矩主要由电子磁矩组成，而电子磁矩是 轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。 原子中的电子按不同的壳层进行排列，当电子壳原子中的电子按不同的壳层进行排列，当电子壳 层被排满时电子的轨道运动和自旋运动占据了所有可层被排满时电子的

12、轨道运动和自旋运动占据了所有可 能方向，电子总的角动量为零，电子的总磁矩为零能方向，电子总的角动量为零，电子的总磁矩为零。 当某一当某一电子壳层未被排满时，这个电子壳层的电电子壳层未被排满时，这个电子壳层的电 子总磁矩才不为零，该原子对外就要显示磁矩。子总磁矩才不为零，该原子对外就要显示磁矩。 材料的磁学性能 原子的磁矩为零的物质对外不显示磁性原子的磁矩为零的物质对外不显示磁性。但在外。但在外 磁场的作用下原子的磁矩不再为零，对外表现出一定磁场的作用下原子的磁矩不再为零，对外表现出一定 的抗磁性。的抗磁性。 抗磁性产生的原因抗磁性产生的原因 电子的轨道运动在外磁场的作用下产生了附加磁电子的轨道

13、运动在外磁场的作用下产生了附加磁 矩矩。 材料的磁学性能 附加磁矩附加磁矩与外磁场方向相反，物质磁化后内部产与外磁场方向相反，物质磁化后内部产 生与外场方向相反的附加磁场，对外表现出抗磁性。生与外场方向相反的附加磁场，对外表现出抗磁性。 磁化强度与磁场强度方向相反，磁化率磁化强度与磁场强度方向相反，磁化率10-4.cm，而铁，而铁 氧体的电阻率可达氧体的电阻率可达=11012 .cm。 低电阻会引起过大的涡流损耗，该项低电阻会引起过大的涡流损耗，该项损耗损耗 正比于正比于D2f/（D为蕊厚度，为蕊厚度，f为交流场频率，为交流场频率， 为电阻率）。磁性材料为电阻率）。磁性材料 越低，应用频率越高

14、，越低，应用频率越高， 涡流损耗越大。因此，在磁性元件中采用高电涡流损耗越大。因此，在磁性元件中采用高电 阻率的大块铁氧体磁蕊是一项相当大的节约，阻率的大块铁氧体磁蕊是一项相当大的节约， 它即使应用到光频它即使应用到光频61014HZ也未表现出过大的也未表现出过大的 涡流损耗。涡流损耗。 材料的磁学性能 l3.11.1 射频铁氧体按用途的分类射频铁氧体按用途的分类 1. 约约1MHz以下频率用的铁氧体以下频率用的铁氧体 2. 在在1MHz以上频率用的铁氧体以上频率用的铁氧体 3. 射频振荡电路调谐用的铁氧体射频振荡电路调谐用的铁氧体 4. 做非线性电路元件用的铁氧体做非线性电路元件用的铁氧体

15、5. 其他有更重意义的铁氧体其他有更重意义的铁氧体 材料的磁学性能 l3.11.2 3.11.2 低频铁氧体低频铁氧体 1 1、在低频下，、在低频下，变压器变压器用铁氧体的主要要求是用铁氧体的主要要求是 高磁导率高磁导率，以便减少杂散电感和做成尽可能小的，以便减少杂散电感和做成尽可能小的 尺寸，损失并不重要。尺寸，损失并不重要。 2 2、电视接收机线路中的变压器要求变换大信、电视接收机线路中的变压器要求变换大信 号的各种应用场合，要求有高的号的各种应用场合，要求有高的磁感应强度和低磁感应强度和低 矫顽力矫顽力。 3 3、滤波器线圈的铁氧体要求是应有小的损失、滤波器线圈的铁氧体要求是应有小的损失

16、 角正切和小的可变性及高磁导率。角正切和小的可变性及高磁导率。 材料的磁学性能 l铁氧体的磁损耗包括磁滞和涡流损耗两部分，铁铁氧体的磁损耗包括磁滞和涡流损耗两部分，铁 氧体的氧体的B随随H变化的磁滞回线可决定磁滞损耗：变化的磁滞回线可决定磁滞损耗： lah可小到可小到210-11T-1，在起始磁率范围不出现磁，在起始磁率范围不出现磁 滞损耗。滞损耗。 2 )(tan max Bah 磁滞 材料的磁学性能 l3.11.3 3.11.3 高频铁氧体高频铁氧体 在在1-100MHz1-100MHz的频率范围内主要采用的频率范围内主要采用Ni-ZnNi-Zn铁铁 氧体，磁导率频散的频率随着氧体，磁导率

17、频散的频率随着NiNi的含量增加而增的含量增加而增 高。高。 欲使欲使Ni-ZnNi-Zn铁氧体的性能有实质性的改善，铁氧体的性能有实质性的改善， 必须搞清必须搞清频散的畴壁共振与自旋共振两种机制。频散的畴壁共振与自旋共振两种机制。 由于畴壁可以存在于不同的位置，故其共振的频由于畴壁可以存在于不同的位置，故其共振的频 谱通常相当宽，损耗可延伸到相当低的频率。谱通常相当宽，损耗可延伸到相当低的频率。 材料的磁学性能 矩磁铁氧体磁心之所以能存储信息，是由矩磁铁氧体磁心之所以能存储信息，是由 于它具有于它具有+Br和和-Br这两个同样稳定的剩磁状这两个同样稳定的剩磁状 态。它需要加一个超过磁心所固有

18、的阀场态。它需要加一个超过磁心所固有的阀场HK 的外磁场，才能使磁心由一个剩磁状态翻转到的外磁场，才能使磁心由一个剩磁状态翻转到 另一个剩磁状态。另一个剩磁状态。 剩磁比：剩磁比：Br/BM，实用的矩磁铁氧体的最大值，实用的矩磁铁氧体的最大值 0.9 比打扰：比打扰：HK/Hm，当阀场，当阀场HK（回线的膝）达到（回线的膝）达到 饱和值以后，打扰比就随驱动场的增大而迅速饱和值以后，打扰比就随驱动场的增大而迅速 降低。降低。0.6充许电流漂移、温度漂移和其他干充许电流漂移、温度漂移和其他干 扰。扰。 3.12 矩磁铁氧体矩磁铁氧体 材料的磁学性能 磁性的测量包括对组织结构不敏感量（本磁性的测量包

19、括对组织结构不敏感量（本 征参量）如征参量）如Ms、K、s、Tc和组织结构敏感量和组织结构敏感量 （非本征量）如（非本征量）如Hc、Br、X、等的测量，以等的测量，以 及在交变磁场下的磁参数测量。前者为测量直及在交变磁场下的磁参数测量。前者为测量直 流磁场下得到的基本磁化曲线、磁滞回线及由流磁场下得到的基本磁化曲线、磁滞回线及由 此定义的各种磁参数，如此定义的各种磁参数，如Ms、 Hc、Br、以以 及最大磁能积及最大磁能积(BH)max等，而后者则是测量软等，而后者则是测量软 磁材料在交变磁场中的性能，如在各种磁材料在交变磁场中的性能，如在各种B、f下下 的的和损耗。和损耗。 材料的磁学性能

20、1 1、闭路试样的冲击法测量、闭路试样的冲击法测量 2 2、开路试样的冲击法测量、开路试样的冲击法测量 3 3、静态磁性的热磁仪法测量、静态磁性的热磁仪法测量 材料的磁学性能 1 1、光电放大磁通计、光电放大磁通计 2 2、电子积分运算放大器、电子积分运算放大器 3 3、数字磁通计、数字磁通计 材料的磁学性能 3.14.1 3.14.1 指示仪表测量法指示仪表测量法 动态磁化曲线的测量动态磁化曲线的测量 材料损耗的功率测量法材料损耗的功率测量法 3.14.2 3.14.2 示波器法示波器法 3.14.3 3.14.3 电桥法电桥法 3.14.4 3.14.4 动态磁特性的自动测量动态磁特性的自

21、动测量 材料的磁学性能 3.15 3.15 材料磁性分析的应用材料磁性分析的应用 材料磁性分析对研究钢的相变动力学、淬材料磁性分析对研究钢的相变动力学、淬 火钢中的残余奥氏体、淬火钢的回火转变、建立合火钢中的残余奥氏体、淬火钢的回火转变、建立合 金的相图、研究合金的时效，以及合金的结构变化金的相图、研究合金的时效，以及合金的结构变化 等是一种非常有效的方法。等是一种非常有效的方法。 材料的磁学性能 材料的磁学性能 对碳钢和低合金钢对碳钢和低合金钢 对高碳高合金钢对高碳高合金钢 3.15.1 3.15.1 测定钢中的残余奥氏体量测定钢中的残余奥氏体量 材料的磁学性能 3.15.2 研究淬火钢的回

22、火转变研究淬火钢的回火转变 淬火钢在回火的过程中，无论是马氏体还是淬火钢在回火的过程中，无论是马氏体还是 残余奥氏体都要发生分解而引起饱和磁化强度残余奥氏体都要发生分解而引起饱和磁化强度MsMs 的变化。由于多相系统的的变化。由于多相系统的MsMs服从相加原则，故可服从相加原则，故可 采用采用MsMs随回火温度的变化作为相分析的根据，从随回火温度的变化作为相分析的根据，从 而确定不同相发生分解的温度区间，判定成相的而确定不同相发生分解的温度区间，判定成相的 性质。性质。 材料的磁学性能 3.15.3 3.15.3 研究过冷奥氏体的等温转变研究过冷奥氏体的等温转变 钢的饱和磁化强度钢的饱和磁化强

23、度MsMs与过冷奥氏体的转变产与过冷奥氏体的转变产 物的数量成正比，因此研究过冷奥氏体分解过程物的数量成正比，因此研究过冷奥氏体分解过程 中各相的相对数量的变化时，可选用中各相的相对数量的变化时，可选用MsMs作测量参作测量参 数。数。 材料的磁学性能 3.15.4 3.15.4 建立合金的相图建立合金的相图 置换式固溶体合金的成分对矫顽力基本无影置换式固溶体合金的成分对矫顽力基本无影 响，但合金的组织对矫顽力有显著影响。当合金响，但合金的组织对矫顽力有显著影响。当合金 成分超过最大固溶度而生成第二相时，矫顽力将成分超过最大固溶度而生成第二相时，矫顽力将 显著增高，因此根据矫顽力的变化情况很容

24、易确显著增高，因此根据矫顽力的变化情况很容易确 定合金的最大固溶度。定合金的最大固溶度。 材料的磁学性能 本章重点掌握内容：本章重点掌握内容： 磁介质的分类？各类磁介质的磁性来源及磁化机制？磁磁介质的分类？各类磁介质的磁性来源及磁化机制？磁 化率、磁导率、磁化强度等磁参量随磁场强度及温度的化率、磁导率、磁化强度等磁参量随磁场强度及温度的 变化规律（包括磁转变温度以上）？（图）变化规律（包括磁转变温度以上）？（图） 铁磁体的自发磁化？磁畴的形成及结构？铁磁体的自发磁化？磁畴的形成及结构？ 铁磁体技术磁化的过程及物理机制？铁磁体技术磁化的过程及物理机制？ 晶粒尺寸和杂质对铁磁体磁性的影响？晶粒尺寸和杂质对铁磁体磁性的影响？ 铁磁、亚铁磁材料的动态磁化特性？铁磁、亚铁磁材料的动态磁化特性？ 材料的磁学性能 磁学的一些基本概念和基本现象磁学的一些基本概念和基本现象 材料的磁学性能 第二章重点掌握内容：第二章重点掌握内容： 造成