金属的磁性能

1、第7章   金属的磁性能金属及合金的磁性是很重要的一种物理性能，在现代科学技术中应用得非常广泛。磁化率、磁导率以及矫顽力等参量对组织、结构很敏感，而饱和磁化强度和居里点等则只与合金相的数量和成分有关。因此，可根据磁化率和矫顽力的变化分析组织的变化规律，而根据饱和磁化强度和居里点对合金进行相分析，研究组织转变的动力学。7-1   磁性的基本概念 金属的抗磁性与顺磁性一、磁性的基本概念在真空中造成一个磁场，然后在磁场中放入一种物质，人们便会发现，不管是什么物质，都会使其所在空间的磁场发生变化。不同的物质所引起的磁场变化不同。物质在磁场中，由于受磁场的作用都呈

2、现出一定的磁性，这种现象称为磁化。根据物质被磁化后对磁场所产生的影响，可以把物质分为三类：使磁场减弱的物质称为抗磁性物质；使磁场略有增强的物质称为顺磁性物质；使磁场强烈增加的物质称为铁磁性物质。任何物质都是由原子组成的，而原子则是由原子核和电子所构成。近代物理证明，每个电子都在作着循轨和自旋运动，物质的磁性就是由于电子的这些运动而产生的。电子是有磁矩的，电子的磁矩是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。电子的循轨运动可以看作是一个闭合的环形电流，由此所产生的磁矩称为轨道磁矩i：式中l为轨道角量子数，可取0，1，2，3（n-1），它分别代表s, p, d, f层的电子态；B 为玻尔磁子，是磁矩的最小单元，

3、它等于式中e和m分别为电子的电荷和质量；h为普朗克常数。B的单位为J/T。电子绕自身的轴旋转，产生一个自旋磁矩，其方向平行于自旋轴，其大小为 :式中S为自旋量子数，其值为+1/2。原子核也有磁矩，不过它的磁矩很小，约为电子磁矩的1/2000，故通常的情况可不予考虑。理论证明:当原子中的一个次电子层被排满时，这个电子层的磁矩总和为零，它对原子磁矩没有贡献。若原子中的电子层均被排满，则原子没有磁矩。只有原子中存在着未被排满的电子层时，由于未被排满的电子层电子磁矩之和不为零，原子才具有磁矩。这种磁矩称为原子的固有磁矩。二、磁性的基本量一个物体磁化的程度可用所有原子固有磁矩m矢量的总和m来表示，单位为

4、A·m2 ；单位体积的磁矩称为磁化强度，用M表示，其单位为A·m-1。它等于当一个物体在外加磁场中被磁化时，它所产生的磁化强度相当于一个附加的磁场强度，从而导致它所在空间的磁场发生变化。这时，物体所在空间的总磁场强度是外加磁场强度H和附加磁场强度M之和，H的单位也是A·m-1。通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数称为磁感应强度，用B表示，其单位为T（特斯拉），它与磁场的关系是式中0为真空磁导率，它等于4×10-7H·m-1。物质的磁化总是在外加磁场的作用下产生的，因此，磁化强度与外加磁场强度和物质本身的磁化特性有关，即M=H式中H为

5、外加磁场强度；系数称为磁化率，无量纲。它表征物质本身的磁化特性。式中系数1+称为相对磁导率，用r表示。它与材料的本性有关，无量纲。磁导率用表示B=µH            或µ= B/H三 金属的抗磁性与顺磁性金属被磁化后，磁化矢量与外加磁场的方向相反称为抗磁性，抗磁性的特点是(磁化率)<0。金属被磁化后，磁化矢量与外加磁场的方向相同称为顺磁性，即(磁化率) >0。通常，把实际测量所得到的磁感应强度或磁化强度与外加磁场强度的关系曲线称为磁化曲线。它集中

6、反映了金属的磁性特征。抗磁与顺磁金属的磁化曲线比较简单，见图7-1。曲线表明，它们的磁化强度与磁场强度之间均呈直线关系，磁化率是很小的常数，但磁化的方向相反。它们还有一个共同特点即磁化是可逆的，当去除外磁场之后仍恢复到未磁化前的状态。1 抗磁性金属的抗磁性来源于电子的循轨运动受外加磁场作用所产生的抗磁矩。无论是电子顺时针运动，还是逆时针运动所产生的附加磁矩M都与外加磁场的方向相反，故称为抗磁矩。一个原子的抗磁矩为式中ri为电子运动的轨道半径在垂直于磁场方向平面上的投影。既然，抗磁性是电子的循轨运动受外加磁场作用的结果，因此可以说，任何金属在磁场作用下都要产生抗磁性。抗磁金属的磁化率很小，约为1

7、0-510-6数量级，并且与磁场强弱和温度无关。2 顺磁性金属的顺磁性主要来源于原子（离子）的固有磁矩。在没有外加磁场时，原子的固有磁据呈无序状态分布，在宏观上并不呈现出磁性，见图7-3 a。若施加一定的外磁场时，由于磁矩与磁场相互作用，磁矩具有较高的静磁能。所谓静磁能是指原子磁矩与外加磁场的相互作用能，用EH表示，其大小等于EH=-0atHcos图7-3 金属磁矩示意图为了降低静磁能，磁矩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，磁矩的矢量和在磁场方向上的投影不断地增大，磁化不断地增强。在常温下，要使原子磁矩转向磁场方向，除了要克服磁矩间相互作用所产生的无序倾向之外，还必须克服

8、由原子热运动所造成的严重干扰，故通常顺磁磁化进行得十分困难。室温下的磁化率约为10-6数量级。如将温度降低到0K，磁化率便可提高到10-4数量级。对于顺磁金属只有当温度接近0K或外加磁场极强时才有可能达到磁饱和，即所有的原子磁矩都排向磁场方向。上述现象说明，温度对顺磁磁化的影响是十分显著的。对于固态金属，特别是过渡族金属，在一定的温度范围内，它们的磁化率和温度的关系服从居里-外斯定律,即式中C为居里常数，它和原子磁矩有关；对某种材料来说是常数，对不同材料可大于零或小于零。对于铁磁金属为正值，它等于居里点或居里温度。所谓居里点即由铁磁转变为顺磁的临界温度。3 抗磁金属与顺磁金属在磁场的作用下电子

9、的循轨运动要产生抗磁矩离子的固有磁矩则产生顺磁矩；此外，还要看到，自由电子在磁场的作用下也产生抗磁矩和顺磁矩，不过它所产生的抗磁矩远小于顺磁矩，故自由电子的主要贡献是顺磁性。金属均由离子和自由电子所构成，因此对于一种金属来说，其内部既存在着产生抗磁性的因素，又存在着产生顺磁性的因素，属于哪种金属，取决于哪种因素占主导地位。金属的离子，由于核外电子层结构不同，可以分为两种情况：一是它的电子壳层已全部被填满，即固有磁矩为零。在外加磁场的作用下由核外电子的循轨运动产生抗磁矩，抗磁矩的强弱取决于核外电子的数量。如果离子部分总的抗磁矩大于自由电子的顺磁矩，则金属为抗磁金属。属于这种情况的抗磁金属有铜、金

10、和银等。锑、铋和铅等金属也属于这种情况，所不同的是它们的自由电子向共价键过渡，因而呈现出异常大的抗磁性。还有些金属，如碱金属和碱土金属，它们的离子也是填满的电子结构，但它们的自由电子所产生的顺磁性大于离子部分的抗磁性。因此它们是顺磁性金属，如铝、镁、锂、钠和钾等。二是离子有未被填满的电子层，即离子具有较强的固有磁矩。在外磁场的作用下，这些固有磁矩所产生的顺磁矩远大于核外电子循轨运动所产生的抗磁矩。具有这种离子的金属都有较强的顺磁性，它们属于强顺磁性金属。如3d-金属中的钛和钒等；4d-金属中的铌、锆和钼等；5d-金属中的铪、钽、钨和铂等。4 影响抗磁性与顺磁性的因素1)同素异构转变与加工硬化的

11、影响同素异构转变对磁性有很显著的影响。例如，具有正方点阵结构的白锡转变为具有金刚石结构的灰锡，即由顺磁转变为抗磁。转变后锡在很大程度上已经失去金属固有的特性，这与转变后原子间距增大，结合电子增加而自由电子的数量变少有关。铁在居里点以上呈顺磁状态。当温度达到910和1401时，铁要分别发生和的同素异构转变。在此温度下铁的磁化率将发生跃变加工硬化对金属的抗磁性影响也很明显。加工硬化使金属的原子间距增大而密度减小，从而使铜和锌的抗磁性变弱。当高度加工硬化时，铜可以由抗磁金属变为顺磁。退火与加工硬化的作用相反，能使铜的抗磁性重新得到恢复。2) 合金成份与组织的影响弱顺磁性金属Cu,Ag,Al,Mg等，

12、所组成的固溶体合金由于溶入溶质原子以后，使原子间的结合发生了变化，它们的磁化率随着成分的变化，按近似于直线的平滑曲线而变化。若强顺磁性过渡族金属溶于Cu、Ag或Au中，合金磁化率的变化比较复杂。如Cu-Pd和Ag-Pd两种合金，当含pd低于30时，由于钯的d层被传导电子填满，离子的固有磁矩变为零。因此随着钯含量的增多，导致合金的抗磁磁化率增大，如图7-5所示。在浓度很低的情况下，它们便可使合金变为顺磁性，并使顺磁磁化率显著地增大，特别是锰的固溶体合金，其顺磁磁化率比纯锰的还高。形成多相合金时，磁化率与合金成分之间呈直线关系。形成中间相时，由于生成了化学键和共价键，从而影响了自由电子的顺磁性，于

13、是简单金属正离子的抗磁性便充分地显示出来，使合金的抗磁性增强，并在磁化率和成分的关系曲线上出现极值。例如，Cu-Zn合金中出现电子化合物相Cu31Zn8时，合金的抗磁磁化率达到最大值。从图7-6中曲线可以看到，由于液态合金仍保留着部分化学键的作用，所以对应于相成分的合金液态时的抗磁磁化率也比较大。6 抗磁与顺磁磁化率的测量抗磁与顺磁磁化率的测量通常采用磁秤法；磁秤的结构如图7-7；顺磁，则F向下，抗磁则向上。图7-7 磁秤结构示意图磁秤结构示意图：a）磁秤结构  b）磁场梯度分布；1-分析天平2-试样3-电磁铁4-电加荷系统测量未知磁化率:可以用已知值的金属对仪器进行相对标定来确定磁

14、导率。例如，金属的磁化率1为已知，测量时达到平衡状态线圈所需通过的电流为i1，待测金属的磁化率为2，测量时达到平衡态的电流为i2，则磁秤测量法的优点：优点是：测量简便，但不够准确。磁秤的用途很广，可用于测量抗磁和顺磁的磁化率，也可以用于测量铁磁性。如配备加热和冷却装置，还可用于研究金属的组织转变和进行相分析，是磁性分析的有力工具。近年来，由于电子技术的发展自动磁秤用得愈来愈多，它能提高测量的稳定性和精确度。7  抗磁与顺磁分析的应用合金的磁化率取决于其成分、组织和结构状态。从磁化率变化的特点可以分析合金组织的变化，以及这些变化与温度和成分之间的关系。这种分析在测定铝合金的固溶度曲线和

15、研究铝合金的时效等问题中应用取得了良好的结果。1) 测定Al-Cu合金的固溶度曲线bm是退火试样测得的结果，它所对应的组织是以铝为基的固溶体和CuAl2相的混合物，随着铜含量的增多，CuAl2相的数量随之增多。曲线bf所对应的组织是铜与铝所组成的单相固溶体。据计算，在合金固溶体中一个铜原子可影响1415个铝原子的顺磁性。因此，与两相混合物相比，它的磁化率随着含铜量的增加，迅速地降低。2）研究铝合金的分解测量顺磁磁化率的变化不仅可以确定合金的固溶的曲线，而且还可用于研究淬火铝合金的分解情况。由于淬火状态铜和铝形成了过饱和固溶体，铜的抗磁作用对铝的顺磁影响较大，使合金的顺磁磁化率显著降低。退火状态

16、的合金中，有94%的铜以CuAl2相的形式存在，因此铜对铝的顺磁性影响较小7-2 金属的铁磁性 影响金属铁磁性的因素铁磁性金属的磁化矢量与外加磁场的方向一致，但它与顺磁金属的磁化特征有显著的不同，其主要特征：1）磁化曲线比较复杂；2）不可逆磁化存在。一、磁化曲线与磁滞回线铁磁金属的磁化曲线如图7-10所示。从图7-10中曲线可以看到，在微弱的磁场中，磁感应强度B和磁化强度M均随磁场强度的增大缓慢地上升；磁化强度与磁场强度之间近似地呈直线关系，并且磁化是可逆的。这个阶段的磁导率称为起始磁导率，用0表示，它接近于一个恒定值。磁场强度H继续增大到一定值后，B和M急剧增高，磁导率增长得非常快，并且出现

17、极大值m。这个阶段的磁化是不可逆的，即去掉磁场仍保留着部分磁化。磁场强度再进一步增大，B和M增大的趋势逐渐变缓，磁化进行得愈来愈困难，磁导率变小，并趋向于0值。当磁场强度达到Hs时，磁化强度便达到饱和值，磁场强度再继续增大时，磁化强度不再变化。磁化强度的饱和值称为饱和磁化强度，用 Ms表示，它与材料有关。与Ms相应的磁感应强度称为饱和磁感应强度，用Bs表示。由于B=0H+0M，故当磁场强度大于Hs时，B受磁场强度H的影响仍在继续增高。将试样磁化到饱和状态后，逐渐减小磁场强度，则B也将随之减小。当H=0时，磁感应强度B并不等于零，而是保留着一定大小的B值，如图7-11中的oc线段，这就是铁磁金属

18、的剩磁现象。去掉外加磁场后的磁感应强度称为剩余磁感应强度，用Br表示。要使B值继续减小，则必须加一个反向磁场，当H等于一定值Hc时，如图中地od线段，B值才等于零。Hc为去掉剩磁的临界磁场，它表示铁磁金属保持剩余磁化的能力，称为矫顽力。磁感应强度的变化落后于磁场强度的变化，这种现象称为磁滞效应。由于磁滞效应的存在，磁化一周得到一个闭合回线，称为最大磁滞回线。回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗，称为磁滞损失。铁磁金属的磁化特点:磁化率不是定值，而且变化很大；存在着磁滞现象；很容易磁化并达到饱和状态。铁磁金属的磁化之所以有上述表现，现已清楚，是由于在它们内部存在着磁畴。所谓磁畴是指：在

19、未加磁场时铁磁金属内部已经磁化到饱和状态的小区域。磁畴的存在已经用实验得到证明。将铁磁金属抛光的试样表面涂以磁性悬浮液体，铁磁性粒子受磁畴磁极的作用将聚集在磁畴边界处，在显微镜下便可观察到磁性粒子所排成的图象。这种图象称为粉纹图。图7-13 粉纹图及磁畴形貌从图可直接看到磁畴的形状和结构。磁畴的尺寸约为10-6mm3。在未加磁场时，它的磁化矢量呈无序分布，因此铁磁体宏观上并不呈现出铁磁性。磁畴的存在说明，在未加外磁场时，铁磁金属内部的自旋磁矩已经自发地排向了同一方向，这种现象称为自发磁化。解释自发磁化要用自发磁化理论，它主要讨论磁有序的起因和条件与磁畴形成的原因和磁畴结构。金属的铁磁性来源于原

20、子未被抵消的自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性的贡献是微不足道的。过渡族金属的3d层都未被电子填满，因此这些金属的原子都有剩余的自旋磁矩。在3d过渡族金属中，铁、钴和镍是铁磁性的。锰虽然也有剩余的自旋磁矩，但它并不是铁磁性金属。这就是说，金属要具有铁磁性，它的原子只有未被抵消的自旋磁矩还不够，还必须是自旋磁矩自发地排列在同一个方向上，亦即产生自发磁化。金属内部的自发磁化是由于电子间的静电相互作用产生的。当两个原子相互接近时，它们的3d层和4s层的电子可以相互交换位置，亦即发生交换作用，由此而产生的静电作用力称为交换力。由于交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序排列，因交换作用所产生的附加能量称为

21、交换能，用Eex表示Eex-Acos 式中A为交换能积分常数；为两相邻原子的两个电子自旋磁矩间的夹角。由上式可以看到，交换能的正负取决于A和 。A为正值时，等于零，Eex为最小，自旋磁矩自发排向同一方向，即产生自发磁化。若A为负值，等于180°，Eex为最小，自旋磁矩应呈反向平行排列，Eex为最小。这种排列产生所谓反铁磁性。交换能积分常数的正负及大小强烈地依赖于原子间的距离和未填满壳层的半径r。也就是说，它与原子的电子结构和晶体的点阵结构有关。经计算得到，当/r>3时，A为正值，-Fe，Co和Ni的A均为较大的正值，它们都是铁磁性金属；Cr和Mn的/r<3，它们是反铁磁性

22、金属；稀土金属的/r虽然大于3，但由于它们原子间距离较大，电子间的静电相互作用力较弱，对电子自旋的取向影响较小，故在常温下即为顺磁。电子相互交换作用所产生的交换力迫使自旋磁矩同向平行排列，另一方面，由温度增高所引起的热运动破坏这种平行排列。热运动产生的无序倾向占优势的临界温度，称为居里点（居里温度）。它的存在是铁磁金属的特征之一。二 磁晶各向异性与磁致伸缩磁晶各向异性与磁致伸缩是铁磁晶体的两个重要的特性。它们不仅在工程应用上有重要意义，而且对磁畴的大小、结构及取向等均有影响。1）磁晶各向异性沿着铁磁晶体的各晶向磁化的难易不同称为磁晶各向异性。图7-15 铁磁晶体的各向异性（a）铁 

23、（b）镍  （c）钴难磁化方向和易磁化方向磁化曲线所包围的面积即代表两个方向磁化所需要的能量差。它表明磁位能存在着各向异性。自发磁化指向易磁化方向时，磁位能为最低。若将磁矩从易磁化方向转到难磁化方向上去，则需要供给一定的能量，这种由于磁晶各向异性所引起的附加能量称为磁晶各向异性能。对于立方晶系，设磁晶各向异性能为EK，可用式表达 :EK=K0+K1(1222+2232+3212)+K2122232式中K0，K1和K2为各向异性常数；1,2,和3为磁化方向与三个晶向之间夹角的余弦。各向异性常数愈小，愈容易磁化。多晶铁磁体没有磁各向异性。2）磁致伸缩铁磁晶体磁化对其长度发生变化的效应称为

24、磁致伸缩。磁致伸缩的大小可用磁致伸缩系数表示式中l为铁磁体的长度；l为由磁化引起的长度变化量。磁致伸缩效应是由于原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致原子间距的自发调整而引起的。金属的点阵结构不同，磁化时原子间距的变化也不一样，故有不同的磁致伸缩性能。由图7-16可见，铁在不同晶向上的磁致伸缩系数相差很大，100方向为正，111方向则为负。镍在各晶向上的磁致伸缩系数均为负值，且以100方向为最大。多晶铁磁体的磁致伸缩没有各向异性。磁致伸缩系数的绝对值随磁化强度的增加而增大，当磁化达到饱和时，也达到最大值，此时的磁致伸缩系数称为饱和磁致伸缩系数，用s表示。实验测得，多晶体铁的s=4.4

25、5;10-6,多晶体镍的s=-33×10-6。三、铁磁晶体的退磁场一个具有自由端的铁磁体磁化之后，磁体的端部产生N和S极，这时磁体内部由于N和S极产生一个与磁化方向相反的磁场，称为退磁场。对于均匀磁化的椭球体，退磁磁场的强度为Hd=-NM式中N为铁磁体的几何退磁因子，与几何形状及尺寸有关；M为磁体的磁化强度。负号表示Hd与M的方向相反。非闭合回路磁体的退磁场与磁矩的相互作用能称为退磁场能。退磁场能也是一种静磁能，它等于退磁因子对于不同形状或者同一磁体的不同方向有不同的数值。当铁磁体处于开路状态时，磁体愈短粗，退磁因子愈大，退磁场能也愈高。对于任何形状的铁磁体，沿细长方向较容易磁化，而

26、沿粗短方向较难磁化。这种由形状不同所引起的各向异性称为形状各向异性。四、磁畴的形成与磁畴结构理论上已说明了自发磁化的起因和条件，问题是自发磁化为什么要分成很多小的磁畴呢？从热力学的角度观察，形成磁畴是能量最小条件的必然结果。具体地说，形成磁畴是为了减少退磁场能和磁致伸缩能（磁弹性能）。由于闭合磁畴的出现，一方面使退磁场能下降为零，另一方面由于闭合磁畴和基本磁畴的磁化方向不同，引起的磁致伸缩不同，因而产生一定的磁致伸缩能。这部分能量不仅与磁畴的方向有关，而且和磁畴的尺寸有关，尺寸愈大，磁致伸缩所引起的尺寸变化就愈不容易相互补偿，磁弹性能（磁致伸缩能）就愈高。因此，封闭式磁畴结构还要由较小的磁畴构

27、成，弹性能才可能更低，在两相反磁畴之间形成一个过渡层，通常称为磁畴壁。畴壁内自旋磁矩的方向从一个磁畴逐渐过渡到另一个磁畴的方向，这种情况交换能为最低。于是，畴壁的自旋磁矩却偏离了晶体的易磁化方向，由此导致各向异性能增高。此外，由于磁致伸缩的变化使弹性能升高，所以形成磁畴壁需要一定的能量。畴壁总能量与畴壁的数量有关，畴壁愈多，能量愈高。当磁畴变小使磁致伸缩能减小的数量和畴壁形成所需要的能量相等时，即达到能量最小的稳定闭合磁畴组态。在没有外磁场时，通常磁畴呈细小扁平的薄片状或细长的棱柱状，大小约为10-6mm3 ,磁化矢量指向易磁化方向。在多晶体中，一个晶粒内可有数个磁畴。在磁场的作用下磁畴的大小

28、和方向都可发生变化。影响金属铁磁性的因素影响铁磁性的因素来自两个方面：一是环境，如温度和应力等的影响；二是金属内部因素，如成分、组织和结构等的影响。从金属内部的因素考查，可把铁磁参量分为两类，即组织敏感性参量和组织不敏感参量。组织和结构不敏感参量不受组织和结构的影响或影响很小，属于这类参量的有Ms(饱和磁化强度)，s(饱和磁致伸缩系数)，K(磁晶各向异性参数）和Tc（居里温度）等，它们与合金的成分和铁磁相性质及数量有关。组织和结构敏感参量强烈地受组织、结构因素以及应力状态的影响，属于这类参量的有Hc(矫顽力)，(磁导率)，(磁化率)和Br(剩余磁感应强度)等，它们均与技术磁化有关。一、温度的影

29、响图7-19曲线表明，在温度低于居里点时，由于温度升高使原子的热运动加剧，原子磁矩无序倾向增大，导致Ms下降。这种无序倾向在接近居里点时急剧增大，因此Ms急剧降低，在居里点处下降为零，即由铁磁转变为顺磁。此规律是铁磁金属的共同特性。Bmax随温度的升高而下降，与Ms和温度的关系基本相似。温度对Br的影响比较复杂，-20020区间，Br随温度升高而增大，但温度继续升高，则Br降低见图a。的变化也比较复杂，如图b。在强磁场中，由于温度升高会导致B值降低，故随之降低。但在较弱的磁场中，温度升高会使K和s下降，由此可以减小磁化过程的阻力，因此值不但没有下降，反而随温度升高而增大。当温度接近居里点时，由

30、于B值急剧降低，受其影响值迅速下降，在居里点处降低为零。矫顽力的变化则与相反，它随着温度的升高而下降，这是由于温度升高会引起K和s降低以及应力松弛所造成的。二、应力的影响这里应力是指加于铁磁金属的弹性应力，它对金属的磁化产生显著影响，见图7-20。图a可明显地看到，由于镍的磁致伸缩系数为负值，所以压应力则对镍的磁化有利，使磁化曲线明显变陡。而拉应力将阻碍磁化过程进行，受力愈大，磁化就愈困难，磁导率明显变小，见图b 。总之，当应力的方向与金属的磁致伸缩为同号时，则应力对磁化起促进作用；反号时则对磁化起阻碍作用。三、形变、晶粒及杂质的影响形变对组织和结构敏感参量的影响十分显著，这是由于它能使金属内

31、部产生大量的缺陷及很高的应力，它们都会对磁畴壁的移动造成阻力，使磁化发生困难。形变使磁导率显著降低，并且形变量愈大，值下降得愈显著，见图7-21。Hc则相反，形变量愈大，则愈高。Br在压缩量为58%以下时，随着压缩量的增大急剧降低，当压缩量大于8%时，Br随着加工硬化程度的增大而逐渐增高。再结晶退火可消除应力和缺陷，使磁化过程容易进行，从而使显著增高，Hc下降。在完全再结晶的情况下，金属的铁磁性可以恢复到加工硬化前的水平。晶粒细化与加工硬化的效果相似，这是因为晶界是一种面缺陷，晶粒愈细，晶界便愈多，磁化的阻力也愈大，愈难磁化。杂质，如碳、氮、锰、硫和磷等，对铁的组织敏感参量的影响与它们存在的形

32、态有关。有两种可能情况：一是固溶于铁中；二是形成夹杂物。若固溶于铁中便会造成点阵扭曲，而呈夹杂物存在则使磁畴壁穿孔，它们都会给畴壁移动造成阻力，导致值下降，Hc上升。一般情况是，形成间隙固溶体时，杂质的影响比较大，形成夹杂物和置换式的固溶体时影响较小。不管是杂质以哪种形式存在，它都使单位体积内原子磁矩的数量较小，因而使Ms降低。四、合金成分和组织的影响1）形成固溶体抗磁或顺磁金属溶入铁磁金属中形成固溶体时，饱和磁化强度Ms随着溶质原子浓度增大而降低。图7-22 镍原子的玻尔磁子数与合金元素的关系图7-23 Fe-Ni、Ni-Co和Fe-Co合金的Ms与成分的关系2)  形成化合物铁磁

33、金属与顺磁或抗磁金属所组成的化合物和中间相，如Fe7Mo6，FeZn7，Fe3Au，Fe3W2和FeSb2，还有NiAl和CoAl等，由于这些顺磁或抗磁性金属的价电子与铁磁金属，3d层的电子产生交换作用，从而改变了3d层的电子结构，因此都呈顺磁性。铁磁金属与非金属所组成的化合物，如Fe3O4，FeSi2，-Fe2O3和FeS等，均呈亚铁磁性，即两相邻原子的自旋磁矩呈反向平行排列，而又没有完全抵消。常见的Fe3C和Fe4N则属于弱铁磁相。3）形成多相合金形成多相合金时，饱和磁化强度Ms与组成相的磁饱和强度和数量有关。Ms可由组成合金各相的相应值相加确定，即MsV=Ms1V1+Ms2V2+式中V，

34、V1和V2分别为合金试样和组成相的体积；Ms，Ms1和Ms2分别为合金试样和组成相的饱和磁化强度。正是由于存在着此式的关系，用饱和磁化强度值可以对合金进行定量相分析。多相合金的居里点与相的成分、相的数目有关，合金中有几个铁磁相，便相应有几个居里点，根据居里点可以对铁磁相做出判断。通常居里温度都是根据实际测量所得到的Ms-T的关系曲线确定的。假如合金中存在着两个铁磁相，则Ms-T曲线上便会出现两个拐折，见图7-24。图中Tc1和Tc2分别为两个不同铁磁相的居里点。图7-24 Ms-T曲线假如合金中存在着两个铁磁相，则Ms-T曲线上便会出现两个拐折，见图中Tc1和Tc2分别为两个不同铁磁相的居里点

35、。钢是金属材料中组织变化比较复杂的合金之一，经不同热处理工艺所得到的组织及它们的组成相具有不同的磁性。铁素体具有很强的铁磁性，是强铁磁相，Fe3C是弱铁磁相，合金碳化物及残余奥氏体为顺磁相。在钢的所有组织中除奥氏体组织呈顺磁性外，其它组织，如珠光体、贝氏体和马氏体均为强铁磁性组织。同一成分的钢处于不同组织状态时，磁性有很大的差异，见图。由图7-25可见，同一含碳量的钢，淬火比退火状态的矫顽力Hc有显著增高；同样是淬火或退火状态，Hc随着含碳量的增高而增大，含碳量愈高，退火与淬火后的Hc相差愈大；磁导率的变化与Hc相反。上述现象的产生可以用应力理论和杂质理论给以满意的解释。矫顽力Hc不仅与渗碳体

36、的数量有关，而且还与渗碳体的形状和大小有关，见图7-26。曲线表明，细片状珠光体的Hc为最高，而粒状珠光体的Hc为最低。实验表明，具有粒状珠光体组织的GCr15钢矫顽力为8×102A·m-1，而具有片状珠光体组织的钢Hc可达1.62×103A·m-1；7-3  铁磁性的测量、分析和应用一、定量分析的磁场在进行铁磁性定量分析时，必须选择一个合适的磁场。实验证明，所用磁场的强度能使试样磁化到饱和状态时，则磁化强度与铁磁相的数量成正比。作定量相分析的磁场强度应当高于48×104A·m-1，但最低不得小于28×104A&#

37、183;m-1。图7-27中曲线表示不同磁场强度下，马氏体和奥氏体混合组织的磁化强度与马氏体体积百分数之间的关系。如所用磁场不能使试样磁化达到饱和状态，则铁磁相的数量与磁化强度之间偏离直线关系，而与组织因素有关。由曲线可见，当磁场强度很高时，试样的磁化强度与铁磁相的数量基本上呈直线关系；磁场强度较小时，磁化强度与铁磁相的数量即偏离直线，并且磁场愈小和马氏体量愈少，则偏差愈大。测量磁场强度低时，出现非线性关系的原因一：短棒状试样磁化后要产生一个退磁场，它削弱了外加磁场Hc的作用。这时有效磁场Hi为：Hi=Hc-N0M式中N0为试样的几何退磁因子，M为试样的磁化强度；测量磁场强度低时，出现非线性关

38、系的原因二：在马氏体转变的初期，马氏体片呈不连续状态时，一个马氏体片就如同一个微小试样，它被磁化之后也产生一个退磁场。其大小不仅与马氏体片的形状、尺寸及方位有关，而且还与组织状态有关，它等于（1-M）NMM。式中M为马氏体的体积百分数；NM为马氏体片的退磁因子。考虑到退磁因素的有效磁场（1-M）NM可看成是试样内部组织的退磁因子，用Ni表示，则Hi=Hc(N0+Ni)M考虑到组织退磁因素的影响，有效磁场进一步被削弱。当M =1，即100%的铁磁相时，组织退磁因子为零，试样的磁化磁场仅受N0M的影响，Hi较容易达到饱和磁化所需要的磁场强度，从而保证试样的磁化强度与铁磁相的数量成正比。当转变初期铁

39、磁相的数量较少时，磁化磁场强度受几何退磁因素与组织因素双重影响，偏离饱和磁化所需的磁场强度比较大。因此，马氏体转变的数量愈少，磁化强度与马氏体数量之间偏离正比关系的程度愈明显。转变数量增多，Ni逐步变小，偏离情况也逐渐减小，转变到达一定数量后，磁化强度与马氏体的数量之间呈直线关系。从上所述可以得知，奥氏体转变的数量变化时，对磁场强度的要求是能在转变初期将所有铁磁相磁化到饱和状态。为了保证奥氏体转变数量与磁化强度之间的正比关系，磁场强度应高于28×104A·m-1。磁场强度对测量结果的影响：从图7-28可以看到，当磁场强度为8.8×104A·m-1时，片状

40、和球状珠光体组织的M-t曲线，在低温时将重合在一起，这说明组织因素对测量结果无影响。由于高温区磁化比低温区更加困难，上述磁场强度在低温时接近饱和磁化磁场强度，而高温时磁化并未达到磁饱和状态，因此，磁化强度存在着差别。当磁场增加到32×104A·m-1时，两种组织的试样M-t曲线完全一致，这时高温区磁化也达到了饱和状态，组织因素对测量结果的影响也已消除。这个例子说明，在高温下进行铁磁分析比低温时需要更强的磁场，才能得到准确的定量关系。二， 测量方法1）冲击测量法冲击测量所用的仪器称为冲击磁性仪，它主要用于测量饱和磁化强度；图7-29 冲击磁性仪示意图投入试样前后磁通量：设投入

41、试样之前测量线圈中的磁通量为1,则 1=B×S1 ；式中B为磁感应强度；S1 为测量线圈的断面积。试样投入之后，线圈中相当于增加了一个铁芯，由于铁磁相磁化的结果，磁通量将增加到2，它等于 :2=B×S1+0Ms×S2 ；式中S2为试样的断面积；0为真空磁导率。试样投入前后测量线圈中磁通的变化量为：=21=0Ms×S2试样投入后测量线圈中的磁通从1随时间变化为2，由此所产生的感应电动势为 ：式中N为测量线圈的匝数。设测量回路中的电阻为R，则回路中的感应电流：在时间t内流经检流计的电量为，通过检流计的电量Q与检流计灯尺上光点最大偏移的格数m成正比，

42、故Q=Cbm   式中Cb为冲击检流计的冲击常数。测量饱和磁化强度Ms式中C称为测量回路的冲击常数，单位为Wb·mm-1 ,通常用实验方法测定。测量线圈的匝数N为已知，测出试样的断面积，读出试样投入后的检流计光点偏移的格数，根据上式确定饱和磁化强度Ms。这种仪器的磁场强度大于28×104A·m-1，测出的Ms与铁磁相的数量成正比，适于做定量分析。例如，测量淬火钢中残余奥氏体的数量和铁磁相的数量，研究与此有关的金属学问题。如在磁极的内孔中装以加热或低温装置可研究高温或低温下的组织转变。所用试样直径一般取310mm，长度与磁极间隙大小有关，当间隙为

43、20mm时试样长度不应小于50mm。测量线圈的内径应尽量接近试样的直径，测量结果才比较稳定。这种方法的优点是：灵敏度高，操作简便，试样不需要装夹，这在某些情况下，如研究形变对相变的影响，有突出的优越性。不足之处是：它不能连续读数，对于一些变化速度较快的过程无法跟踪测量。2）热磁仪测量法热磁仪，也可用于测量饱和磁化强度这里V为试样的体积；H为磁场强度；M为磁化强度； j为试样与磁场之间的夹角。在测量过程中很小，故可以认为sin j sin j 0,以j 0代替j，则上式表明，测量所得到的愈大，磁化强度就愈大。当磁场强度高于28×104A·m-1时，M即为磁饱和强度Ms，它与试

44、样中铁磁相的数量成正比，在研究工作中常用代表试样中铁磁相的数量。热磁仪测量法的优点：能够连续地测量和自动记录，测量速度也较快，可以跟踪测量转变速度较快的过程，适合于测量过冷奥氏体转变的动力学。所用试样的长度为2025mm，直径为3mm。为了防止氧化，试样表面要求镀铬。3）感应式热磁仪法感应式热磁仪用于测量过冷奥氏体的转变当奥氏体发生转变时，奥氏体的转变产物珠光体或贝氏体均为强铁磁性组织，就如同在线圈W1中增加了一个铁芯，从而导致感应电动势Ei1增大，但Ei2仍不改变。此时，回路中的总电动势为Ei1Ei2>0，于是毫伏表的指针便偏离零值，而且奥氏体转变的数量愈多，毫伏表的读数愈大。毫伏表的

45、读数反映了奥氏体转变的趋势，从感应电动势的变化曲线可确定奥氏体转变的开始及转变的终了时间。这种仪器的交变磁场强度只有(3256)×103A·m-1，由于磁场比较弱，所以只用于做定性分析。其优点是：测量过冷奥氏体转变的开始及转变终了点有足够的准确性；能连续读数和自动记录；仪器的结构简单，操作方便。试样为圆柱形，直径为23mm，柱长为30mm，并要求尺寸精确，表面磨光并镀铬，防止加热过程中氧化。4）抛脱法测量时，首先将试样置于螺线管和测量线圈中，螺线管通以电流，将试样磁化到饱和状态，然后，去除磁化磁场，这时试样保留着剩磁。为了去除剩磁，螺线管通以反向电流，由此产生一个反向磁场，

46、使试样退磁。退磁场从零逐步加大，每增大一个数值，将经过退磁的试样迅速地抽出测量线圈，置于距测量线圈较远的地方。如试样的剩磁不为零，在抽动时测量线圈中便会有磁通的变化，由此产生感应电动势，检流计的光点便会发生偏移。如经过退磁后试样的剩磁为零，则试样抽出时测量线圈中就不会有磁通的变化，故检流计的光点不会产生偏移，这时所加的退磁场强度即矫顽力。抛脱法测量矫顽力所用的仪器结构简单，测量方便。三 铁磁性分析的应用铁磁分析对研究钢的相变动力学，淬火钢的回火，淬火钢中的残余奥氏体，建立合金的相图，合金的时效以及合金的结构变化等是一种很有效的方法。（一）测定淬火钢中的残余奥氏体量残余奥氏体对钢的工艺性能和机械

47、性能都有重要的影响。例如，对工具钢来说，残余奥氏体存在可以减小淬火过程中的变形；超高强度钢中，保留一定量的残余奥氏体能显著改善断裂韧性；GCr15轴承钢中的残余奥氏体有利于提高接触疲劳强度和寿命。1）碳钢和低合金钢碳钢和低合金钢的淬火组织基本上属于马氏体加残余奥氏体。确定残余奥氏体的数量都是通过直接测量淬火钢中马氏体的数量来实现。知道了马氏体的数量，再从试样中扣除马氏体，即可得到奥氏体的数量。马氏体是强铁磁性组织，淬火状态试样的饱和磁化强度（Ms）s与马氏体的数量成正比。即（Ms)s= j M(Ms)M式中(Ms)M  为马氏体的饱和磁化强度；j M为马氏体的体积分数。试样中除马氏体

48、外，其余为残余奥氏体。以j A代表残余奥氏体的分数，则A+ M=1利用待测试样的(Ms)s与一个完全是马氏体的试样(Ms)M做比较，从而求得残余奥氏体所占的体积百分数。完全马氏体的试样称为标准样 ：一是成分要和待测试样完全相同；二是要具有100%的马氏体组织。 在实际测量中，较常采用相对标准样代替理想马氏体标准样。对碳钢和低合金钢，选用淬火后立即冷处理或淬火后再经250300回火处理试样作为标准样。 式中(Ms)r为相对标准试样的饱和磁化强度，用实验测量得到。淬火态的高碳高合金钢的组织由马氏体，残余奥氏体和合金碳化物组成。其中残余奥氏体是顺磁相，碳化物也是顺磁性的。这种情况下确定残余奥氏体要比

49、一个顺磁相复杂得多。高碳高合金钢淬火状态的饱和磁化强度仍然采用(Ms)s=jM(Ms)M表示，但试样中各组成相的体积分数则为j M+ j A+ j cm=1式中j cm为顺磁碳化物的体积分数。对于高碳高合金钢，(Ms)M更加无法用实验获得，故一般采用退火或淬火后经高温回火的试样做相对标准样，并用下式进行计算式中(Ms)r为相对标准样的饱和磁化强度，用实验方法测得；cm用电解萃取或定量金相法确定。测量试样和标准样的饱和磁化强度的方法有冲击磁性仪法和热磁仪法，常用的是冲击磁性仪法，这种测量方法的测量速度快，精确度也较高。2）研究淬火钢的回火钢的淬火组织中，无论是马氏体还是残余奥氏体都处于亚稳状态，回火时要发生分解。钢在回火过程中处于多相组织状态，其饱和磁化强度服从相加原则。因此，采用测量饱和磁化强度随回火温度的变化可作为组织转变的根据。已知碳钢在回火过程中，在不同温度下分别析出三种碳化物即渗碳体，碳化物和碳化物。它们的居里点