《材料物理性能》王振廷版课后答案

1、试说明下列磁学参量的定义和概念：磁化强度、矫顽力、饱和磁化

强度、磁导率、磁化率、剩余磁感应强度、磁各向异性常数、饱和磁

致伸缩系数。

a、磁化强度：一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁矩的多少来衡

量，成为磁化强度M

b、矫顽力He:一个试样磁化至饱和，如果要产0或B=0,则必须加上一个反向

磁场He,成为矫顽力。

c、饱和磁化强度：磁化曲线中随着磁化场的增加，磁化强度M或磁感强度B开

始增加较缓慢，然后迅速增加，再转而缓慢地增加，最后磁化至饱和。Ms成为饱

和磁化强度，Bs成为饱和磁感应强度。

d、磁导率：p=B/H,表征磁性介质的物理量，p称为磁导率。

e、磁化率：从宏观上来看，物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的磁场强度有关。

M=x-H,X称为单位体积磁化率。

f、剩余磁感应强度：将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H,则M也将减少,

但M并不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变，当H减少到零时，

M=Mr=EBr=4nMro(Mr、Br分别为剩余磁化强度和剩余磁感应强度)

g、磁滞消耗：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗

Q(J/m3)

h、磁晶各向异性常数：磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差代表磁晶各向异性

能，用Ek表示。磁晶各向异性能是磁化矢量方向的函数。

i、饱和磁致伸缩系数：随着外磁场的增强，致磁体的磁化强度增强，这时|八|也随

之增大。当H=Hs时，磁化强度M达到饱和值，此时人二人s,称为饱和磁致伸缩

所致。

2、计算Gd3+和Cr3+的自由离子磁矩Gd3+的离子磁矩比Cr3+离子

磁矩高的原因是什么

6.计算:FU+、Fe3\Mn2\Ni2\Co2\

Ti4\与Cr3，Cu2\Zn2♦等离子在物质中

的磁矩

n即过渡族元素组成物质时，其离子磁矩主要由电子自

旋作贡献，而轨道角动量不作贡献，这是“轨道角动

量猝灭”所致。

a所以有几个未成对电子，就有几个pB。

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electronicspinorientation

离子元素原子电子排布3d轨道孤对电子数基态磁矩

FA3d64s23d644PB

Fe34"3d64s23d555pB

MM+3d54S23d555pB

Cr2+3d54S13d444〃B

Co2+3d74s23d733PB

Ni2+3d84s23d822出

Gd3+有7个未成对电子，Cr3+3个未成对电子.

所以，Gd3+的离子磁矩为7|JB,03+的离子磁矩为3|JB.

3、过渡族金属晶体中的原子(或离子)磁矩比它们各自的自由离子磁

矩低的原因是什么

I

4、试绘图说明抗磁性、顺磁性、铁磁性物质在外场B=0的磁行为。

5、分析物质的抗磁性、顺磁性、反铁磁性及亚铁磁性与温度之间的

关系

答：(【)抗磁性是由外磁场作用下电子循轨运动产生的附加磁矩所造成的，与温度无关，或随

温度变化很小。

(2)根据顺磁磁化率与温度的关系：可以把顺磁体分为三类，一是正常顺磁体，其原子磁化率

与温度成反比；二是磁化率与温度无关的顺磁体；三是存在反铁磁体转变的顺磁体，当温度

高于一定的转变温度TN时，它们和正常顺磁体一样服从局里-外斯定律，当温度低于TN时,

它们的原子磁化率随着温度下降而减小，当T-OK时，磁化率趋于常数。

(3)反铁磁性物质的原子磁化率在温度很高时很小，随着温度逐渐降低，磁化率逐渐增大，温

度降至某一温度TN时，磁化率升至最大值；再降低温度，磁化率又减小。

(4)亚铁磁性物质的原子磁化率随温度的升高而逐渐降低。

6、什么是自发磁化铁磁体形成的条件是什么有人说“铁磁性金属没有

抗磁性”，对吗为什么

।

a、组成铁磁性材料的原子或离子有未满壳层的电子，因此有固有原子磁矩。在铁磁性材料中，

相邻离子或原子的未满壳层的电子之间有强烈的交换耦合作用，在低于居里温度并且没有外

加磁场的情况下，这种作用会使相邻原子或离子的磁矩在一定区域内趋于平行或者反平行排

列，处于自行磁化的状态，称为自发磁化。

b、铁磁性材料具有一个磁性转变温度:居里温度Tc。一般自发磁化随环境温度的升高而逐渐

减小，超过居里温度Tc后全部消失，此时材料表现出顺磁性，材料内部的原子磁矩变为混乱

排列。只有当TvTc时，组成铁磁性材料的原子磁矩在磁畴内才平行或反平行排列，材料中

有自发磁化。

材料内部相邻原子的电子之间存在一种来源于静电的相互交换作用，由于这种交换作用对系

统能量的影响，迫使各

原子的磁矩平行或反平行排列，形成自发磁化。

C、材料的磁性来源于电子的轨道运动和电子的自旋运动。所有的材料处于磁场中时，外磁场

都会对电子轨道运动回路附加有洛伦兹力，使材料产生一种抗磁性，其磁化强度和磁场方向

相反。

抗磁性是电子轨道运动感生的，因此所有物质有抗磁性。但并非所有物质都是抗磁体，这是

因为原子往往还存在着轨道磁矩和自旋磁矩所组成的顺磁磁矩。原子系统具有总磁矩时，只

有那些抗磁性大于顺磁性的物质才成为抗磁体。

7、分子场的本质是什么在铁磁体中起什么作用

答：分子场的本质：分子场的性质不是磁场，量子力学告诉我们，分子场来源于相邻原子中

电子间的交换作用，它导致了磁有序。从本质上讲，这是属于静电作用。

在铁磁体中的作用：铁磁物质内部存在很强的“分子场它使原子磁矩同向平行排列，即自

发磁化到饱和；铁磁体的自发磁化分成若干磁畴，由于磁体中各磁畴的磁化方向不一致，所

以大块磁体对外不显示磁性。

8、试用磁畴模型解释软磁材料的技术磁化过程。

1.技术磁化过程

前面说过磁化曲线可以分为3个阶段,这对应着3种不同的磁化过程：弱磁场中为起始

废化阶段；中等磁场中为不可逆磁化阶段：较强磁场中为磁化缓慢增加阶段,3个阶段分别

对应着不同的磁化机制.为了说明磁化机制,取4个成封闭结构的磁痛，如图916.在磁化

的起始阶段,磁化矢fit与磁场成锐角的磁畴磁位能较低，而与磁场成饨角的磁畸磁位能较

高.由「磁鹤壁上的自旋磁矩本来就处于高能状态,此时受到磁场的影响很容易发生转动.

磁畸壁有一定的厚度,它不受磁场的影响，所以磁马壁自旋磁矩转动的结果相当于碳嗝唾移

动，使与磁场成锐角的磁畸扩大，而与磁场成钝角的磁畸缩小，于是磁畸的磁化矢量之和在

磁场方向上的投影便大于零，使佚磁体宏观上衰现出有微弱的碳化.当磁场强度沿大并超过

一定员时便进入了不可逆转磁化阶段.此时阂曲壁随着磁场的增大而快速移动•称为磁畴壁

的跃迁,结果使大块的磁明从与磁场夹角较大的难磁化方

向转向夹角较小的易磁化方向，因此磁化进行得很强烈.

磁化曲线急剧上升.当磁场增加到更演时，所有的自旋磁

矩通过磁畴壁的跳动，转向了与磁场成最小夹角的易磁化

方向.磁场强度再继续增大时，便进入磁化的磁畴转向阶

段.这一阶段主要是设角磁端进一步转向外磁场方向的过

程.由于锐角磁畸的磁矩方向是易磁化方向，而现在要转

向的外磁场方向却是非易磁化方向,甚至有可能是最难磁

化方向,因此这一转变必须克服磁各向舁性能，故磁的转

动很困难，导致磁化强度缓慢上升，并且只有在外加磁场

图916磁化机韵示意图

很大时，才能将所有锐角做踌转向与外磁场一致的方向.

如果此时将外磁场减小，磁矩很容易从外磁场方向转回到饯角磁嬲的方向.故将磁矩由锐角

转向外磁场方向的转动,称为避畴的可逆转动.

9、磁畴大小和结构有哪些条件决定。

(°

畴结构受到

畴壁能E»

磁晶各向异性能Ek

退磁场融d

U9

的制约。

其中退磁场能是铁磁体分成畴的动力，

飞其它能量将决定磁畴的形状I、尺寸和取向。

10.哪些磁性能是组织敏感的举例说明成分、热处理、冷变形、晶粒

取向等因素对磁性的影响

从金属内部的因素考查，可把铁碳参量分为两类，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），入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He（矫顽力），口（磁导率），x（磁化率）和Br（乘|余磁感应强度）等，它

们均与技术磁化有关。

1）冷塑性变形会使组织敏感的铁磁性参量发生变化。

随着形变度的增加，磁导率|ini减小而矫顽力HC增高。冷塑性变形不影响饱和磁

化强度MS

2）形成形变织构和再结晶织构，则磁性会呈现明显的方向性。

当硅钢片在再结晶退火后形成〈100〉｛001｝的立方织构时，沿轧制方向和垂

直轧制方向均为易磁化方向，因而能获得最优良的磁性，所以立方织构是最理想

的织构。

3）晶界处原子排列不规则，晶界附近位错密度也较高，造成点阵畸变和应力场，

阻碍％壁的移动和转动。晶粒越细，相对晶界影响区越大，从而使磁导率越低，

矫顽力越高。

例如，很纯并经过真空退火的纯铁，当晶粒直径分别为6.3、0.6、0.1mm时，

磁导率pm分别为8200、6970、4090（亨/米）.

11、什么叫磁弹性能他受哪些因素影响

物体在磁化时伸长或收缩受到限制，则在物体内部形成应力，从而内部将产生弹性能，即磁

弹性能。

物体内部的缺陷、杂质等都可以增加其磁弹性能。

对于多晶体而言，若磁弹性能是由于应力的存在而引起的，那么磁化方向和应力方向的夹角、

材料所受的应力、饱和磁致伸缩系数和单位体积中的磁弹性能都会影响该磁弹性能。

12、技术磁化过程可分为那几个阶段，各个技术磁化阶段的特点是什

么什么叫单畴体单晶体一定是单畴体吗

第一部分0A是可逆磁化过程可逆是指磁场减少到零时M沿原曲线减少到零在可逆磁化

阶段磁化曲线是线性的没有剩磁和磁滞。在金属软磁材料中此阶段以可逆壁移为主。

第二部分AB是不可逆磁化阶段此阶段内M随磁化场急剧地增加M与H曲线不再是线

性。此阶段中若把磁场减少到零M不再沿原曲线减少到零而出现剩磁这种现象成为磁滞

巴克豪森指出这一阶段由许多M的跳跃性变化组成是畴壁的不可逆跳跃引起的。

第三部分BC是磁化矢量的转动过程第二阶段结束后畴壁消失整个铁磁体成为一个单畴

体但其内部磁化强度方向还与外磁场方向不一致。在这一阶段内随磁化场进一步增大磁矩

逐渐转动到与外磁场一致的方向当磁化到S点时磁体已磁化到技术饱和这时的磁化强度

称饱和磁化强度

Mso

第四部分自C点以后M-H曲线已近似于水平线而M-H曲线大体上成为直线自C点继续增

大外磁MS还稍有增加这一过程称为顺磁磁化过程。

（注：书上为三个过程，但相对而言，我认为这个答案更为合理和完整。若有疑虑，可省去

第四部分）

说法一、具有强磁化强度的颗粒（如磁铁矿）其自发能随着体积增大能够迅速增大。在某些非

常小的颗粒中，这些电子自旋最终定向排列。这种颗粒被均匀磁化，并被称为单畴（single

domain,SD）O

说法二、多畴的大块材料在很强的外磁场的作用下，被磁化至饱和状杰，整块材料内的自发

磁化强度基本上取在一个磁化方向上，形成一个单畴。

单晶体不一定是单畴体

假如单晶半径为R,单畴体的临界尺寸为r,如果R>r,则不是单畴结构；如果R<r,则肯定是

单畴结构。也就是说，单畴体有一个临界尺寸，但临界尺寸r不一定是单晶尺寸。当R<rz

则肯定是单畴结构。

&

12、技术磁化过程分为哪几个阶段各个技术磁化阶段的特点是什么

答：第一部分（0A）是可逆磁化过程：可逆是指磁场减少到零时，M沿原曲线减少到零，在

可逆磁化阶段，磁化曲线是线性的，没有剩磁和磁滞。在金属软磁材料中，此阶段以可逆壁

移为主。

第二部分（AB）是不可逆磁化阶段：此阶段内，M随磁化场急剧地增加，M与H曲线不再

是线性。此阶段中，若把磁场减少到零，M不再沿原曲线减少到零，而出现剩磁，这种现象

成为磁滞，巴克豪森指出，这一阶段由许多M的跳跃性变化组成，是畴壁的不可逆跳跃引起

的。

第三部分（BC）是磁化矢量的转动过程：第二阶段结束后，畴壁消失，整个铁磁体成为一个

单畴体，但其内部磁化强度方向还与外磁场方向不一致。在这一阶段内随磁化场进一步增大,

磁矩逐渐转动到与外磁场一致的方向，当磁化到S点时，磁体已磁化到技术饱和，这时的磁

化强度称饱和磁化强度MS。

第四部分自（:点以后，M-H曲线已近似于水平线，而M-H曲线大体上成为直线，自（:点继

续增大外磁，Ms还稍有增加，这一过程称为顺磁磁化过

程

13、饱和磁化强度MS：磁性体被碱化到饱和状态时的磁化强度。

饱和磁感应强度Bs:磁性体被磁化到饱和状态时的磁感应强度。

14、何为起始磁导率何种场合需要高起始磁导率受哪些因素影响

起始磁导率

(1)起始磁导率

1二B

a=—lim—

磁中性状态下磁导率的极限值，实验上等于曲线在原点

O处切线的斜率除以〃o

场合:研究非晶态铁磁合金的磁性稳定性、铁芯也需要高起始磁导率。

因素影响

⑴材料的Ms，风越大，从越高；

⑵材料的占和&和%越小，儿越高；

⑶材料的内应力⑦材料内部的晶体结构越完整均匀，

产生的内应力越小，从越高；

(4)材料内的杂质浓度外用越低，畴壁位移磁化过程决

定的从越高。

15、什么叫做最大磁导率举例说明提高软磁材料最大磁导率的途径

最大磁导率pm

图中曲线表示了炉值是随磁场强度变化的曲线。在某一磁场强度下，相对磁导率达到最

大值，称为最大磁导率|jm。

16、什么叫剩余磁化强度，什么叫剩余磁感强度他们间存在什么样的

关系提高剩磁途径

永磁材料在闭路状态下经外磁场磁化至饱和后，再撤消外磁场时，永磁材料的磁极化强度J

和内部磁感应强度B并不会因外磁场H的消失而消失，而会保持一定大小的值，该值即称为

该材料的剩余磁极化强度Jr和剩余磁感应强度Br,统称剩磁。

剩磁Jr和Br的单位与磁极化强度和磁感应强度单位相同。

提高剩磁的方法

永磁材料的磁极化强度Js是很重要的磁参量，它是该材料剩磁Br的极限道,也是决定该材料磁能

积极限值或理论值（BH）m=Js2/4的强学量。

（

为提高残留磁化强度，要选用饱和磁化强度高的物质，同时要通过制造工艺等保证方形度接

近1。实际的工艺过程中，可采用下述技术实现单轴磁各向异性。这些技术包括：

①使铸造组织柱状晶化；②通过冷加工形成加工纤维组织；

③通过磁场中加工诱导磁各向异性；④通过磁场中热处理诱导磁谷向异性。

17、什么叫矫顽力提高材料的矫顽力的途径有哪些

使磁化至技术饱和的永磁体的Bi磁感应强度）降低至零所需要的反向磁场强度称为磁感矫

顽力。

提高材料的矫顽力的途径：1）、使合金从有序结构向无序结构转变，2）、范性形变使晶体中

产生大量的缺陷和内应力，矫顽力随形变量增大而增大，3）、加工硬化，4）、晶粒细化

18、什么叫最大磁能积为什么最大磁能积越大越好提高最大磁能积的

途径

退磁曲线上任何一点的B和H的乘积既BH我们称为磁能积，而BxH的最大值称之为最大磁

能积（BH）max。

磁能积是恒量磁体所储存能量大小的重要参数之一，（BH）max越大说明磁体蕴含的磁能量越

大，表示此时磁体对外做功的能力最大。

为使（BH）m尽可能大，需要几个条件。首先，Br要高；其次，因反磁场造成的Br减少并且

应尽量小，也就是说，方形度要尽量大；最后，具有较大的矫顽力。

20、一个合金中肯定有两种铁磁性相，用什么方法证明。

•10、一个合金中存在两种或两种以上的铁

磁性相时，不同的铁磁性相其居里温度

（铁磁性转变为顺磁性的温度点）不同，

利用材料在加热或冷却过程中的相变（二

级相变一顺磁性--铁磁性转变），通过磁

化强度随温度的变化就可反映出来。

磁化强度

22、

・14、面心立方的奥氏体确实是顺磁性的。

•奥氏体不锈钢中含有大量合金元素，这些合金元素极易

形成碳化物，所以一般情况下奥氏体要经过高温固溶处

理，即加热到1000C以上温度保温使合金元素及其化合

物能够完全溶解到奥氏体中，随后快速冷却得到单一奥

氏体组织，这种单相奥氏体组织不但抗蚀性能好，而且

是完全顺磁性的。

•若缓慢冷却，则容易形成碳化物析出相，碳化物在室温

下是铁磁性相，所以造成不锈钢呈现微弱磁性。

•奥氏体不锈钢经过严重塑性变形，内部形成大量晶体缺

陷，晶格严重畸变，局部区域已经不是面心立方结构，

可能形成类似于体心立方的铁素体的晶体结构，这一结

构是铁磁性的，因此，不锈钢强烈塑变厚会变成铁磁性。

经过高温退火后这种铁磁性将消失。

23、自发磁化的物理本质是什么材料具有铁磁性的充要条件是什么

铁磁体自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用

材料具有铁磁性的充要条件为：1）必要条件:材料原子中具有未充满的电子壳层，即原子磁矩

2）充分条件:交换积分A>0

24、论述各类磁性X-T的相互关系

1）抗磁性.居与温度无关，Zt/<0

C

2）顺磁性：/=E为临界温度，成为顺磁居里温度,