永磁材料磁性能检测分析实验讲义

1、磁性材料磁性能检测分析实验讲义1实验目的了解影响材料磁性能相关参数的主要因素；掌握材料磁化曲线、磁滞回线的测试原理；掌握材料磁参数的测试方法与操作过程；了解材料磁性能测试与分析在材料研究中的应用领域；2实验设备 YSD-10-1半自动油压机；ST-552型脉冲充磁机；AMT-4型磁化特自动性测量仪。3实验原理3.1 试样的成型试样的成型依靠外力的压缩作用而实现。将永磁粉末或混合料粉装在压模内，然后闭合模腔通过模冲对物料施压，保压一定时间后卸压，使其取得模腔的型样转变为成型物，然后用适当的方法脱模后获得一定形状的磁体制品。压力经过上模冲传向粉末时，粉末力图向各个方向流动，在这个过程中，粉末发生位

2、移和变形。粉末的位移主要表现为粉末体内的拱桥效应遭到破坏，粉末颗粒彼此填充孔隙，重新排列位置，增加接触。粉末的变形分为弹性变形塑性变形和脆性变形：粉末的弹性变形是指外力卸除后粉末形状可以恢复原形；粉末的塑性变形是指压力超过粉末的弹性极限，粉末的变形不能恢复原形；粉末的脆性变形是指压力超过粉末的强度极限后，粉末颗粒发生粉碎性破坏。粉末通过上述变形使粉末之间的孔隙度降低，接触面积增加，从而形成具有一定强度的压坯。压制后的粉末体具有一定的强度是因为粉末之间的联结力，大致也可分为两类：一是粉末之间的机械啮合力，这是由于具有不规则外形的粉末在位移和变形过程中相互楔住和钩连，从而形成机械啮合；二是粉末颗粒

3、表面原子之间的引力，由于粉末的变形和位移，粉末表面的原子彼此接近，进入引力范围内便可以由引力作用而联结起来。粉末之间的机械啮合力是粉末体具有一定强度的主要原因。粉末体的密度与成型压强之间的关系可以用黄培云方程来大致表示：式中d压坯密度；d0压坯原始密度(粉末充填密度)；dm致密金属密度；P压制压强；M压制模量；m粉末压制过程的非线性指数。通过施加不同的压制压强，可以得到不同密度的压坯。在本实验中，所用的标准试样一律为10×10mm的圆柱体。3.2试样的充磁磁化装置由磁轨极头和磁化绕组组成。磁轨极头和试样构成闭合回路。磁化装置的简图如图1所示：在该装置中，极头的两极面应该平行并与磁场方

4、向垂直。磁化绕组的位置应尽量靠近试样并相互对称，其轴线与极头轴线一致。磁化装置应能产生使试样磁化到饱和的磁化场，其值随永磁材料的种类而变化，并与晶粒的取向有关。饱和磁场强度Hmax的选择通常与内禀矫顽力有关，即Hmax=KHcj。系数K根据永磁材料的种类而变化，一般在3到5之间。部分永磁材料的饱和磁场强度见表1。表1 部分永磁材料最低饱和磁场强度MaterialsferriteFeCrCoSmCo5Sm2Co17PrSmCo5Ce(CoCuFe)5Sm2(CoCuFeZr)17NdFeBHmax(kA/m)1100240320032002400160016003000图1 磁化装置简图 图2

5、铁磁体的起始磁化曲线两极面之间的极化场在试样，测量线圈和磁场探测器所占有的整个空间内应该足够均匀，因此，极面的几何尺寸必须满足下式：D d + 1.2 L (2) D 2.0 L (3) 式中：D圆形极面直径或矩形直径的最短边长，m； L极间距离，m；d垂直与磁场方向均匀性的最大尺寸，m。工作时，极头中的磁通密度应比其饱和磁通密度低得多，以保证极面近似于磁等位面。对于电工纯铁极头的磁通密度应小于1.1T，对于含钴35%50%的铁钴合金极头的磁通密度应小于1.2T。当满足上述条件后，在极面间的磁场均匀区内，磁场强度的变化不会超过1%。热退磁状态的铁磁性物质MJ和B随磁化场H的增加而增加的关系曲线

6、称为起始磁化曲线，简称为磁化曲线，如图2所示，它们分别被称之为MHBHJH磁化曲线。MsJsBs分别为饱和磁化强度饱和磁极化强度以及饱和磁感应强度。仪器所显示的曲线是MH曲线或BH曲线。由图2中的MH曲线可知磁化一般分为四个阶段。第一阶段是OA阶段，即可逆磁化阶段，磁化曲线是线形的，没有剩磁和磁滞。这一阶段是以磁畴壁的可逆位移为主。第二阶段是AB阶段，即不可逆磁化阶段。在此阶段内，M随磁化场的增加而急剧增加，M与H的曲线不再是线形的，M不再沿原曲线减少到零，出现剩磁，这种现象称之为磁滞。1919年，Barkhausen指出这个阶段是由畴壁所产生的不可逆位移所引起的。第三个阶段是BS阶段，即磁化

7、矢量的转动过程。在此阶段内，随着磁化场的增加，磁矩逐渐转动到与外场方向夹角最小的易磁化方向，如果外场强度足够大，磁矩将转动到外场方向。此时得到的磁化强度为饱和磁化强度Ms。第四个阶段是SC阶段，即顺磁磁化过程。自S点以后，MH曲线接近水平，自S点继续增加磁化场，Ms还稍有增加，这是因为磁畴内元磁矩排列不整齐的程度得到改善。试样在脉冲充磁机中充磁将发生上述过程，如果充磁机功率较小，磁化的第四个阶段一般不会发生。充磁后由于磁矩的有序排列程度很高，铁磁性试样显示出很强的磁性。3.3磁性能的测量测量装置的简图如图3所示。绕有测量线圈的样品装夹在电磁铁中，当磁化电流在电磁铁中产生扫描磁化场的时候，通过样

8、品的磁通随之发生变化，并在测量线圈中感应出电压e1。根据电磁感应定律： 其中N为测量线圈匝数，为通过线圈的磁通，B为磁通密度，S为线圈面积。将e1进行积分运算， 由式(4)知e2正比与磁通密度的变化B。如果对e2做比例变换可得e3，让e3可直接代表B，并通过高精度电子积分器拾取测量线圈所感应的B信号。根据霍尔效应，如果在电流的垂直方向加以均匀的磁场，则在电流和磁场都垂直的方向上将建立起一个电场。当霍尔元件垂直于磁通密度B时，霍尔元件的输出电压： VH=KH.B.IH=KH.H.IH (6) 式中KH为霍尔系数，B为磁通密度，为空气磁导率。由霍尔探头拾取磁场信号，经放大处理后可以得到VH的值。由

9、于KH和.为定值，故适当地设置IH，可使VH直接代表B或H。把e3和VH的值送入电脑中，按不同的方式改变磁化电流值，就可以绘出样品的退磁曲线以及磁滞回线等，由这些曲线可进一步求出相应的参数来。 图3 测量装置工作简图 图4 铁磁体的磁滞回线将铁磁体在A点磁化状态(+MS)经CSD点后到E点磁化状态(-MS)的过程称之为反磁化过程。与反磁化状态过程相对应的BH曲线称之为反磁化曲线。两条反磁化曲线组成的闭合回线为磁滞回线，如图4所示。其中曲线1是内禀磁滞曲线，曲线2是BH磁滞回线。退磁曲线由四部分组成。第一部分是AC阶段。当磁化场由A点减少到零的时候，每一个晶粒的磁矩都转动到该晶粒最靠近外磁场的易

10、磁化方向。在磁化场减少到零的过程中铁磁体内部可能会产生新的反磁化畴。第二部分是CS阶段，该阶段既可能是磁矩的转动过程，也可能是畴壁的小Barkhausen跳跃。第三部分是SD阶段，它是不可逆的大Barkhausen跳跃。第四部分是DE阶段，它是磁矩转动到反磁化场方向的过程。在测量计算中，为了简便起见，测量仪用第二象限的退磁曲线代表整个退磁曲线并在计算机上将其显示。4 实验步骤 实验步骤如图5所示：样品制备处理结果取出样品-向充磁+向充磁装夹样品极型判别输入参数仪器调漂脉冲充磁 图5 测试永磁样品的流程图4.1 试样的制备 1、将模具装置在液压机上。2、设定合适的成型压强，并在压机上调整好相应的

11、成型压力。3、将粉末均匀地装进压模内。4、启动压机，压制粉末，压力达到要求后保压一定时间，然后卸压。5、脱模并取出标准试样。 6、清洗模具，准备进行下一次压制。4.2 试样的充磁1、将模具放入电磁铁两级间，调整好两级间的距离，使之能刚好取出模具为止。2、合上电源开关，打开充磁机控制柜电源控制开关，按下绿色按钮“向前”，充磁机开始充磁。3、待35秒后，按下红色按钮“停止”，取出模具，在压机上进行压制，然后将模具重新放回充磁机内。4、按下黑色按钮“向后”，充磁机进行退磁，待35秒后按下红色按钮“停止”，取出模具。5、关充磁机控制柜电源开关，关上总电源。4.3 退磁曲线的测量1、打开测试仪电源，预热

12、20分钟以上，以保证电磁体能正常工作。2、硬件校准：a、取出霍尔探头和测试线圈，将其移出磁场。b、按下图读键后，按住清零键的同时调节测量仪后背的Br旋钮，使其显示为零。c、调节Hcj旋钮，使其显示也为零。d、调零(BH)max：按下校准键，按住清零键的同时调节背后的(BH)max旋钮，使其为零。e、把标准线圈的值拔入面板(127.5，1.000)后，将霍尔探头和测量线圈放入磁场之中，压下电磁铁的极头，线圈与极头之间的距离应该与被测样品的高度相近。f、按下校准键后，进入校准软件。电流档按下铁氧体低档后进行硬件调漂，通过调节漂移键使测量仪的漂移尽量减小。g、将测量仪显示的值请零后按下启动键，用Br

13、/Hcb的值来调节Hcj，3、软件校准：a、将面板上的电流键和校准键抬起，按下电脑键，进入自动测试软件。b、进入校准菜单。旋转电磁铁的极头，取出探头，点自动调整探头零点键，若Hcj未达到零点，则点手动键，使其显示为零。c、探头调零后，输入校准线圈数据，按确认键。将校准线圈和探头放在磁场中部，压下电磁铁的极头，线圈与极头之间的位置还是与被测样品的高度相近。d、按复位键，开始软件调漂。如果漂移不严重，则用自动调整积分漂移键；如果漂移严重，则用手动调漂。当漂移稳定后，点击复位键，进行半程校准。4、测量样品：a、进入输入菜单，输入被测样品形状、尺寸；所用线圈类型、线圈数据(线圈面积和线圈匝数)。一般充磁电流系数选定为0.91.0，退磁电