第三章;磁学性能(铁磁性及其物理本质)教材课件.ppt

1、3.3.13.3.1铁磁质的自发磁化铁磁质的自发磁化 物质具有铁磁性的基本条件：物质具有铁磁性的基本条件：(1)物质中的原子有未填满的电子壳层，是物质中的原子有未填满的电子壳层，是必要条件必要条件(2)自旋磁矩必须自发排列在同一方向上，即自发磁自旋磁矩必须自发排列在同一方向上，即自发磁化是产生铁磁性的化是产生铁磁性的充分条件充分条件。“分子场分子场”来源于电子间的静电相互作用。来源于电子间的静电相互作用。实验证明铁磁质自发磁化的起因是源于原子实验证明铁磁质自发磁化的起因是源于原子未被未被抵消的电子自旋磁矩，抵消的电子自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡献。献。l 根据

2、键合理论可知，原子相互接近形成分子时，电根据键合理论可知，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，电子要相互交换位置。子云要相互重叠，电子要相互交换位置。l对于过渡族金属，原子的对于过渡族金属，原子的3d的状态与的状态与4s态能量相态能量相差不大，因此它们的电子云也将重叠，引起差不大，因此它们的电子云也将重叠，引起s、d状状态电子的再分配。态电子的再分配。即发生了交换作用。交换作用产即发生了交换作用。交换作用产生的静电作用力称为交换力。生的静电作用力称为交换力。l交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序交换力的作用迫使相邻原子的自旋磁矩产生有序排列。其作用就像强磁场一样，外斯排列。其作用就

3、像强磁场一样，外斯“分子场分子场”即即来源于此。来源于此。因交换作用而产生的附加能量成为交换能。因交换作用而产生的附加能量成为交换能。CEAcos 当磁性物质内部相邻原子电子的交换能积分常数为正当磁性物质内部相邻原子电子的交换能积分常数为正(A0，=0)时，相邻原子磁矩将同向平行排列（能量最时，相邻原子磁矩将同向平行排列（能量最低），从而实现自发磁化。低），从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因，即充这就是铁磁性产生的原因，即充分条件。分条件。这种相邻原子的电子交换效应，其本质仍是静电力这种相邻原子的电子交换效应，其本质仍是静电力迫使电子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像强磁场一样。迫使电子自

4、旋磁矩平行排列，作用的效果好像强磁场一样。(A0，=180)时，则反向平行排列，呈反铁磁性。时，则反向平行排列，呈反铁磁性。CEAcos 交换能交换能 A 为交换能积分常数，为交换能积分常数，为相邻原子的两个电子为相邻原子的两个电子自旋磁矩之间的夹角。自旋磁矩之间的夹角。系统稳定本着能量最低原则。系统稳定本着能量最低原则。交换能积分常数交换能积分常数A不仅与电子运动状态的波函数有关，不仅与电子运动状态的波函数有关，还强烈依赖于原子核间的距离和未填满壳层半径有关。还强烈依赖于原子核间的距离和未填满壳层半径有关。当当 Rabr 3，A0，满足自发磁，满足自发磁化的条件，化的条件，为铁磁性为铁磁性当

5、当 Rabr 太大，太大，原子之间的距离太原子之间的距离太大，电子云不重叠或重叠太少，不能满大，电子云不重叠或重叠太少，不能满足自发磁化的条件，足自发磁化的条件，为顺磁性为顺磁性。当当 Rabr 3，A0，则反向，则反向 排列，排列，为反铁磁性为反铁磁性铁磁性产生的充要条件：铁磁性产生的充要条件：原子内要有为填满的电子壳层，满足原子内要有为填满的电子壳层，满足RabRabr r 3 3使使A A0 0。前者指的是原子本征（固有）磁矩不为前者指的是原子本征（固有）磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构。零；后者指的是要有一定的晶体结构。Rab-原子间距原子间距 r-未填满的电子层半未填满的电子

6、层半径径 铁磁性产生的条件：原子内部要有末填满的铁磁性产生的条件：原子内部要有末填满的电子壳层；及电子壳层；及Rabr之比大于之比大于3使交换积分使交换积分A为正。为正。前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构。一定的晶体结构。铁磁质受热原子间距离增大，电子间交换作用铁磁质受热原子间距离增大，电子间交换作用减弱，自发磁化减弱，当高于一定温度时交换作用减弱，自发磁化减弱，当高于一定温度时交换作用被破坏，表现为顺磁性，这个转变温度被称为被破坏，表现为顺磁性，这个转变温度被称为居里居里温度温度。3.3.2 3.3.2 反铁磁性和亚铁磁性反

7、铁磁性和亚铁磁性 如果交换积分如果交换积分A A0 0时，则原于磁矩取反向平行时，则原于磁矩取反向平行排列能量最低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子排列能量最低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自发磁化强磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为反铁磁性。度等于零。这样一种特性称为反铁磁性。研究发现，纯金属研究发现，纯金属-Mn-Mn、CrCr等是属于反铁磁等是属于反铁磁性。还有许多金属氧化物如性。还有许多金属氧化物如MnOMnO、CrCr2 2O O3 3、CuOCuO、NiONiO等也属于反铁磁性。等也属于反铁磁性。反铁磁性反铁磁性

8、 亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子或原子)组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁性的离子磁矩是反向平行排列。由于两种离子的磁矩性的离子磁矩是反向平行排列。由于两种离子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差表现为宏观磁矩。表现为宏观磁矩。具有亚铁磁性的物质绝大部分是金属的氧化物，是具有亚铁磁性的物质绝大部分是金属的氧化物，是非金属磁性材料，一般称为铁氧体。磁性离子间并不存非金属磁性材料，一般称为铁氧体。磁性离子间并不存在直接的交换作用，

9、而是通过夹在中间的氧离子形成间在直接的交换作用，而是通过夹在中间的氧离子形成间接的交换作用，称为超交换作用。接的交换作用，称为超交换作用。亚铁磁性亚铁磁性 交换积分交换积分A A0 0，则原于磁矩取反向平行排列能量，则原于磁矩取反向平行排列能量最低。如果相邻原子磁矩不等，原子磁矩不能相互抵最低。如果相邻原子磁矩不等，原子磁矩不能相互抵消，存在自发磁化。这样一种特性称为亚铁磁性消，存在自发磁化。这样一种特性称为亚铁磁性。铁磁性铁磁性 反铁磁性反铁磁性 亚铁磁性亚铁磁性 反铁磁性和亚铁磁性的物质可以看作由两套亚点阵反铁磁性和亚铁磁性的物质可以看作由两套亚点阵组成，每个亚点阵中的离子磁矩同向平行排列

10、，不同亚组成，每个亚点阵中的离子磁矩同向平行排列，不同亚点阵反向平行。点阵反向平行。3.4 3.4 磁晶各向异性和各向异性能磁晶各向异性和各向异性能 对于铁磁单晶的研究发现，沿不同晶向的磁化对于铁磁单晶的研究发现，沿不同晶向的磁化曲线不同。这种在单晶体的不同晶向上磁性能不同曲线不同。这种在单晶体的不同晶向上磁性能不同的性质，称为磁性的各向异性。的性质，称为磁性的各向异性。磁各向异性磁各向异性100110111 相邻原子间电子轨道还有交换作用，由于自旋相邻原子间电子轨道还有交换作用，由于自旋-轨轨道相互作用，电荷的分布为旋转椭球性，非对称性与道相互作用，电荷的分布为旋转椭球性，非对称性与自旋方向

11、密切相关，所以自旋方向相对于晶轴的转动自旋方向密切相关，所以自旋方向相对于晶轴的转动将使交换能改变，同时也使原子电荷分布的静电相互将使交换能改变，同时也使原子电荷分布的静电相互作用能改变，导致磁各向异性。作用能改变，导致磁各向异性。3.5 3.5 磁致伸缩与磁弹性能磁致伸缩与磁弹性能 铁磁性物质的尺寸和形状在磁化过程中发生形变的铁磁性物质的尺寸和形状在磁化过程中发生形变的現象，叫磁致伸缩。現象，叫磁致伸缩。产生原因：产生原因：原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致原子原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致原子间距的的自发调整。间距的的自发调整。当磁致伸缩引起的形变受到限制，在材料内部将产当

12、磁致伸缩引起的形变受到限制，在材料内部将产生应力，因而存在一种弹性能，称为生应力，因而存在一种弹性能，称为磁弹性能磁弹性能。铁磁体在磁场中具有的能量称为静磁能，它包括铁磁体在磁场中具有的能量称为静磁能，它包括铁磁体与外磁磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁铁磁体与外磁磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁场中的能量，后者常称为退磁能。场中的能量，后者常称为退磁能。铁磁体的形状各向异性是由退磁场引起的，当铁铁磁体的形状各向异性是由退磁场引起的，当铁磁体磁化出现磁极后，这时在铁磁体内部由磁极作用磁体磁化出现磁极后，这时在铁磁体内部由磁极作用而产生一个与外磁化场反向的磁场，因它起到退磁而产生一个与外磁化场

13、反向的磁场，因它起到退磁（减弱外磁场）的作用，故称为退磁场，用（减弱外磁场）的作用，故称为退磁场，用H Hd d表示。表示。Hd=-NM N N为退磁因子，与材料的几何形状、尺寸有关；为退磁因子，与材料的几何形状、尺寸有关；M M 磁化强度。磁化强度。3.6 3.6 铁磁体的形状各向异性及退磁能铁磁体的形状各向异性及退磁能NMdMHEMdd00021退磁场作用在铁磁体上的退磁能为：退磁场作用在铁磁体上的退磁能为：3.7 3.7 磁畴的形成与磁畴结构磁畴的形成与磁畴结构 因物质由许多小磁畴组成的。在未受到磁场作用时，因物质由许多小磁畴组成的。在未受到磁场作用时，磁畴方向是无规则的，因而在整体上无

14、外加磁场时不显磁畴方向是无规则的，因而在整体上无外加磁场时不显示磁性示磁性形成原因：形成原因：由于原子磁矩间的相互作用，晶体中相邻原子的由于原子磁矩间的相互作用，晶体中相邻原子的磁偶极子会在一个较小的区域内排成一致的方向。磁偶极子会在一个较小的区域内排成一致的方向。磁畴磁畴 未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。域。3.7.1 磁畴与磁畴壁磁畴与磁畴壁 磁畴壁：磁畴壁：相邻磁畴的界限区域称为磁畴壁，分为两种：相邻磁畴的界限区域称为磁畴壁，分为两种：磁畴的结构磁畴的结构主畴：主畴：大而长的磁畴，其自发磁化方向沿晶大而长的磁畴，其自发磁化方向沿

15、晶体的易磁化方向。相邻主畴磁化方向相体的易磁化方向。相邻主畴磁化方向相反。反。副畴：副畴：小而短的磁畴，其磁化方向不定。小而短的磁畴，其磁化方向不定。（1）180 壁。相邻磁畴的磁化方向相反。壁。相邻磁畴的磁化方向相反。（2）90 壁。相邻磁畴的磁化方向垂直。壁。相邻磁畴的磁化方向垂直。磁畴壁具有交换能磁畴壁具有交换能E ECXCX、磁晶能、磁晶能E EK K及磁弹性能及磁弹性能。磁交换能：磁交换能：逐渐转向比突然转向要容易进行，逐渐转向比突然转向要容易进行，因此交换能小，畴壁越厚交换能越小。因此交换能小，畴壁越厚交换能越小。磁晶能：磁晶能：畴壁越厚，原子磁矩的逐渐转向，使畴壁越厚，原子磁矩的

16、逐渐转向，使原子磁矩偏离了易磁化的方向，磁晶能增加。原子磁矩偏离了易磁化的方向，磁晶能增加。磁弹性能：磁弹性能：原子的逐渐转向，各个方向上的伸原子的逐渐转向，各个方向上的伸缩难易不同，因此产生弹性能。缩难易不同，因此产生弹性能。畴壁内的能量比磁畴内要高畴壁内的能量比磁畴内要高磁畴壁的厚度本着能量最小原则磁畴壁的厚度本着能量最小原则。交换能使畴壁厚度大，磁晶能使畴壁厚度减交换能使畴壁厚度大，磁晶能使畴壁厚度减小。两种能量竟争使畴壁具有一定的厚度。小。两种能量竟争使畴壁具有一定的厚度。磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为磁畴结构磁畴结构。形成磁畴是为了降

17、低系统的能量（主要是降低形成磁畴是为了降低系统的能量（主要是降低退磁能和磁弹性能）。因磁畴结构受交换能、退磁能和磁弹性能）。因磁畴结构受交换能、磁晶能、磁弹性能、畴壁能和退磁能的影响，磁晶能、磁弹性能、畴壁能和退磁能的影响，平衡状态时的磁畴结构，应使这些能量之和为平衡状态时的磁畴结构，应使这些能量之和为最小值。最小值。3.7.2 3.7.2 磁畴的起因与结构磁畴的起因与结构简述磁畴的形成过程简述磁畴的形成过程 答：磁畴的形成符合能量最小条件，使系统能量降低到最低，答：磁畴的形成符合能量最小条件，使系统能量降低到最低，以维持系统的能量平衡。磁畴的形成过程如下：以维持系统的能量平衡。磁畴的形成过程

18、如下：（1 1）假设在磁晶体中存在一个自发的磁化区，磁化区的两极）假设在磁晶体中存在一个自发的磁化区，磁化区的两极则会产生以较高的退磁场。如图则会产生以较高的退磁场。如图a a所示所示（2 2）如果将上述磁化区分割成两个区域，则退磁场将会降低，）如果将上述磁化区分割成两个区域，则退磁场将会降低，如继续分割，则会一直减小，有减小到零的趋势。如图如继续分割，则会一直减小，有减小到零的趋势。如图b b所示所示（3 3）如果形成封闭的结构，则退磁场减小为零，没有自由磁）如果形成封闭的结构，则退磁场减小为零，没有自由磁极。闭合磁畴的形成使磁致伸缩不同而产生弹性能和磁晶能。极。闭合磁畴的形成使磁致伸缩不同

19、而产生弹性能和磁晶能。如图如图c c所示所示（4 4）为了降低磁弹性能，磁畴将沿基本磁化方向分割为更小）为了降低磁弹性能，磁畴将沿基本磁化方向分割为更小磁畴，但磁畴的分割又增加了畴壁能，当两者能量平衡时，即磁畴，但磁畴的分割又增加了畴壁能，当两者能量平衡时，即形成能量最小的稳定的闭合磁畴。如图形成能量最小的稳定的闭合磁畴。如图d d所示所示 单晶体磁畴结构示意图单晶体磁畴结构示意图3.8 3.8 铁磁金属的技术磁化过程铁磁金属的技术磁化过程 技术磁化过程实质使外加磁场对磁畴的作用过程，即外磁技术磁化过程实质使外加磁场对磁畴的作用过程，即外磁场把各个磁畴的磁矩转到与外加磁场方向相同的过程，技场把

20、各个磁畴的磁矩转到与外加磁场方向相同的过程，技术磁化过程如下：术磁化过程如下：（1 1）当外加磁场较弱时，自发磁化方向与外加磁场方向）当外加磁场较弱时，自发磁化方向与外加磁场方向成锐角的磁畴则易磁化而扩张，成钝角的磁畴则缩小。畴成锐角的磁畴则易磁化而扩张，成钝角的磁畴则缩小。畴壁发生迁移，此阶段由于外加磁场较弱而可逆，磁化曲线壁发生迁移，此阶段由于外加磁场较弱而可逆，磁化曲线较为平坦，因此称为可逆迁移区较为平坦，因此称为可逆迁移区（2 2）随外加磁场增加，某些与磁场成钝角的磁畴将发生）随外加磁场增加，某些与磁场成钝角的磁畴将发生瞬时的转向，转向与磁场成锐角易磁化的方向，大量原子瞬时的转向，转向

21、与磁场成锐角易磁化的方向，大量原子瞬时的转向，表现出强烈的磁化，此阶段因外加磁场较强瞬时的转向，表现出强烈的磁化，此阶段因外加磁场较强而不可逆，称为不可逆迁移区而不可逆，称为不可逆迁移区，这种迁移将使所有原子，这种迁移将使所有原子磁矩都转向外加磁场成锐角易磁化方向，而使晶体成为单磁矩都转向外加磁场成锐角易磁化方向，而使晶体成为单畴。畴。（3 3）当外加磁场继续增加时，则整个单畴晶体的磁矩方）当外加磁场继续增加时，则整个单畴晶体的磁矩方向将逐渐转向外加磁场方向。该过程称为磁畴的旋转，即向将逐渐转向外加磁场方向。该过程称为磁畴的旋转，即磁畴旋转区磁畴旋转区。当晶体的单畴磁化强度矢量与外加磁场方。当

22、晶体的单畴磁化强度矢量与外加磁场方向完全一致时，即达饱和状态，完成整个磁化过程。向完全一致时，即达饱和状态，完成整个磁化过程。磁化曲线分区示意图磁化曲线分区示意图3.9 3.9 影响金属及其合金铁磁性的因素影响金属及其合金铁磁性的因素外部因素：外部因素：温度、应力。温度、应力。内部因素：内部因素：成分、组织及热处理状态等。成分、组织及热处理状态等。（组织敏感性（组织敏感性参数和组织不敏感性参数）参数和组织不敏感性参数）l 属于属于组织不敏感的磁参数组织不敏感的磁参数有饱和磁化强度有饱和磁化强度MsMs、磁致伸缩系、磁致伸缩系数数s s、居里点、居里点c c以及磁各向异性常数以及磁各向异性常数K

23、 K等。其中等。其中MsMs和和s s是铁磁体自发磁化强度的函数。具体地说，它们和原子结是铁磁体自发磁化强度的函数。具体地说，它们和原子结构、合金成分、相结构和组成相的数量有关，而与组成相构、合金成分、相结构和组成相的数量有关，而与组成相的晶粒大小、分布和组织形态无关。的晶粒大小、分布和组织形态无关。c c只与组成相的成只与组成相的成分和结构有关。分和结构有关。K K只决定于组成相的点阵结构，而与组织只决定于组成相的点阵结构，而与组织无关。无关。l 属于组织敏感的磁参数属于组织敏感的磁参数有矫顽力有矫顽力HcHc、磁导率、磁导率、剩余磁化、剩余磁化强度强度MrMr、剩余磁感应、剩余磁感应BrB

24、r等。它们都与组成相的晶粒尺寸、等。它们都与组成相的晶粒尺寸、分布情况和组织形态有密切关系。分布情况和组织形态有密切关系。l 它们都与组成相的晶粒尺寸、分布情况和组织形态有密切它们都与组成相的晶粒尺寸、分布情况和组织形态有密切关系。关系。1、温度的影响l 温度升高使原子热运动加剧，原子磁矩的无序排列倾向增大而导致温度升高使原子热运动加剧，原子磁矩的无序排列倾向增大而导致Ms下降，矫顽下降，矫顽力减小。力减小。l 温度大于居里点是为铁磁性，小于居里点是则为顺磁性。温度大于居里点是为铁磁性，小于居里点是则为顺磁性。l 温度升高，引起应力松弛，利于磁化，使得初始磁导率增加（图中温度升高，引起应力松弛

25、，利于磁化，使得初始磁导率增加（图中24）。但温度）。但温度太高，太高，B降低，则磁化率降低（图中降低，则磁化率降低（图中320）2、应力形变晶粒及杂质的影响l应力与磁致伸缩一致时，对磁化起促进作用，相反则起阻碍作用。l 形变造成点阵畸变及扭曲，晶粒破碎，内应力增加而造成技术磁化困难。结晶和退火则相反l 晶粒细化，晶粒越细，晶界越多，磁化阻力越大，晶界也是一种缺陷。l杂质会造成点阵畸变增加磁化阻力3、合金成分与组织的影响4、组织磁性3.15 材料磁性分析的应用一、测定钢中的残余奥氏体量1、低碳钢和低合金钢 马氏体是强铁磁性。淬火态试样的饱和磁化强度（Ms)s与马氏体的数量成正比。m=（Ms)s

26、/(Ms)m（Ms)s所测试样的饱和磁化强度(Ms)m纯马氏体试样的饱和磁化强度 2、高碳高合金钢组织为：马氏体+残余奥氏体+碳化物马氏体强铁磁相，残余奥氏体顺磁性、碳化物弱铁磁性方法：碳化物用金相法或电解质萃取法测残余奥氏体的测量与低碳钢相同二、研究淬火钢的回火转变回火四个阶段组织转变导致磁性的变化回火四个阶段组织转变导致磁性的变化由磁性变化说明发生的组织转由磁性变化说明发生的组织转变。变。20-20020-200 曲线降低，说明强铁磁相的马氏曲线降低，说明强铁磁相的马氏体发生了分解，加热曲线和冷却曲线不重合体发生了分解，加热曲线和冷却曲线不重合说明试样内部组织发生了转变，即马氏体析说明试样

27、内部组织发生了转变，即马氏体析出亚稳的碳化物，使磁饱和强度降低。出亚稳的碳化物，使磁饱和强度降低。200-300 200-300 曲线升高，主要是顺铁磁性残曲线升高，主要是顺铁磁性残余奥氏体发生分解，转变为强铁磁相的马氏体余奥氏体发生分解，转变为强铁磁相的马氏体。300-350 300-350 残余奥氏体分解完毕，马氏体继续残余奥氏体分解完毕，马氏体继续分解，析出弱铁磁性的亚稳碳化物，导致曲线下降分解，析出弱铁磁性的亚稳碳化物，导致曲线下降350-500 350-500 亚稳碳化物转变为稳定的碳化物，碳化亚稳碳化物转变为稳定的碳化物，碳化物的形成导致基体铁素体数量减少而导致曲线下降物的形成导致

28、基体铁素体数量减少而导致曲线下降加热和冷却曲线不重合说明回火组织未稳定为平衡态加热和冷却曲线不重合说明回火组织未稳定为平衡态500 500 以上，回复再结晶，碳化物聚集长大，磁饱和以上，回复再结晶，碳化物聚集长大，磁饱和强度随温度单调下降，加热曲线和冷却曲线可逆。强度随温度单调下降，加热曲线和冷却曲线可逆。三、研究过冷奥氏体的等温转变AM B P AM B P 磁性发生变化磁性发生变化A A属于顺磁性属于顺磁性 磁饱和强度与组织产物成正比磁饱和强度与组织产物成正比四、研究过冷奥氏体的等温转变 置换式固溶体合金的成分对矫顽力基本无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。影响，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当合金成分超过最大固溶度而生成第二相时，矫顽力将显著增高，因此根据矫顽力时，矫顽力将显著增高，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。的变化情况很容易确定合金的最大固溶度。