FH13-材料的磁学性能剖析

材料性能学付华石家庄铁道大学第13章材料的磁学性能13.1基本磁学性能13.2抗磁性与顺磁性13.3铁磁性与反铁磁性13.4影响材料磁性能的因素13.5磁性材料及其应用第二部分材料的物理性能13.1基本磁学性能一、磁性来源：电子的循轨运动和自旋运动原子核：磁矩很小，是电子磁矩的1/2000，可忽略。电子：轨道磁矩：电子循轨运动。自旋磁矩：电子自旋运动。某一（次）电子层排满：∑m层=0。原子磁矩：外层电子磁矩相互作用，不是单个原子磁矩的总和，取决于分子结构。所有电子层均排满：∑m原子=0。未满的电子层：∑m原子≠0，→固有磁矩，在外磁场中，改变了固有磁矩的取向。Fe：3d64s2分子磁矩：二、材料的磁性分类物质放入磁场中：H:A/m抗磁性→→使磁场减弱：Cu/Ag/Au/Zn等。顺磁性→→使磁场略有增强：Al，稀土金属等。铁磁性→→使磁场强烈增强：Fe/Co/Ni.材料被磁化过程：无外场H时，固有磁矩∑m原子的矢量和为0，材料不呈现磁性。外加场H时，改变了固有磁矩的取向，趋于与外场H方向排列，显示磁性。三、磁学基本量：磁化强度M与磁感应强度B磁化强度M：单位体积的固有磁矩矢量和。磁感应强度B：物质磁化后改变所在处的磁场大小。μ0：真空磁导率，4π×10-7H/m；μr：相对磁导率，μr=1+χ；μ：磁导率（导磁系数）μ=μ0(1+χ)表13-1一些常见材料在室温时的磁化率材料名称磁化率材料名称磁化率氧化铝-1.81×10-5锌-1.56×10-5铜-0.96×10-5铝2.07×10-5金-3.44×10-5铬3.13×10-4水银-2.85×10-5钠8.48×10-6硅-0.41×10-5钛1.81×10-4银-2.38×10-5锆1.09×10-413.2抗磁性与顺磁性M=χH抗磁性：χ＜0，M与H方向相反；顺磁性：χ＞0(较小，10-6)，M与H方向相同；一、抗磁性♣经典物理理论♫拉摩尔进动（LarmorPrecession）--产生附加磁矩♫电磁感应(Electromagneticinduction)--附加磁矩♫洛仑兹力（Lorentzforce）--附加磁矩√♣量子力学理论一、抗磁性电子在循轨运动中产生的，外磁场使电子轨道改变，产生与外场相反的附加磁矩。任何材料在磁场作用下都产生抗磁性。抗磁性不是电子的轨道与自旋磁矩本身产生的；抗磁性是由外磁场作用下电子循轨运动产生的附加磁矩造成的。外场H去除后，抗磁磁矩消失。二、顺磁性顺磁性来源于原子的固有磁矩（存在未排满的电子层）。原子磁矩与外磁场相互作用→静磁能；降低静磁能，克服无序倾向和热运动严重干扰，原子磁矩转向磁场H方向。低温H=24×104A/m,常温H=8×108A/m(技术上难以达到，1/20)抗磁性：ⅠⅡⅢbⅣbⅤbⅥbⅦbⅧbⅠbⅡbⅢⅣⅤⅥⅦ0HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcRf顺磁性：氧/石墨。惰性气体；非金属元素形成分子；金属Cu/Ag/Au13.3铁磁性与反铁磁性13.3.1铁磁材料的物理本质——自发磁化Fe\Co\Ni→铁磁性来源：未被抵消的自旋磁矩——必要条件自发磁化(电子交互作用使自旋磁矩同向排列)自发磁化：1907年，法国外斯提出，外斯假说无外场H时，原子内层电子（3d,4s）间静电交互作用。交换能：A：交换能积分常数φ：相邻原子电子自旋磁矩夹角。电子云重叠，电子交换位置（3d,4s能量相差不大，电子再分配）交换力，相邻原子自旋磁矩S有序排列。“分子场”附加能量：Fe\Co\Ni的a/r＞3，A＞0,则当φ=0时，Eex最小，原子自旋磁矩同向排列→→自发磁化→→铁磁性；A：交换能积分常数Eex最小：A：电子运动状态的波函数，与原子间距a/未满壳层半径r有关（a/r）。稀土元素：a/r＞5，A＞0较小，原子核间距太大，电子云重叠少，静电交互作用弱，自发磁化倾向小→→顺磁性；Cr\Mn：a/r3，A＜0，自旋磁矩反向排列时Eex最小，→→反铁磁性；未满电子层的电子云在两原子核间重叠，重叠区不能过大（反铁磁性），重叠区不能过小（顺磁性）产生铁磁性的充要条件：1.原子内部有未满电子壳层→→固有磁矩不为0。2.强烈的自发磁化,自旋磁矩同向排列。（a/r＞3，A＞0，有一定的晶体点阵结构要求）解释一些现象：温度对铁磁性的影响（居里点）磁晶各向异性；磁致伸缩铁磁性是自发产生的，不是外界提供的；磁化过程只不过把它本身的磁性显示出来。轨道磁矩对铁磁性几乎无贡献。（外层电子轨道受点阵周期场的作用，方向变动，不能产生联合磁矩）。13.3.2反铁磁性与亚铁磁性反铁磁性（Cr，MnO、Cr2O3、CuO、NiO等）：TN：自旋反向排列，完全破环→顺磁性。亚铁磁性：铁氧体（Fe2O3，金属化合物）（尖晶石、石榴石、磁铅石）；磁性离子被间隔较大的O2-分离→间接交互作用（超交换作用）。反铁磁性和亚铁磁性：磁化率随温度的变化13.3.3磁畴结构铁磁物质内，分为若干自发磁化小区域→→磁畴（Donaim）。现代铁磁理论：①外斯假说，自发磁化理论，解释铁磁性的本质。②磁畴假说：技术磁化理论。粉纹法观察：铁磁粉敷在试样表面，聚集在磁畴边界处。磁畴的形状、大小受5种能量制约。交换能：（A,Eex）→→磁矩同向排列。退磁能：外磁场与内磁场方向相反→→分为两个反向磁畴→→闭合磁畴（退磁能0）交换能，退磁能，磁致伸缩能，磁各向异性能，畴壁能。磁致伸缩能（磁弹性能）：封闭磁畴要更小。磁各向异性能：磁化强度沿不同晶向不同。磁致伸缩效应：Fe：λ0；Ni：λ0。M=Ms时，λ=λs畴壁能：磁畴越小→畴壁面积增加→畴壁能增加（10-1000个原子间距）。磁畴变小使磁弹性能降低==畴壁形成的能量稳定闭合磁畴的组态：细小扁平→→薄片状;细长→→棱柱状.13.3.4磁化曲线与磁滞回线（一）磁化曲线：3部分♣Ⅰ：M∝kH，B/M随H缓慢增加，可逆磁化；♣Ⅱ：B/M随H急剧增加，μ↑↑μm，不可逆。♣Ⅲ：B,M随H增加变缓，μ↓↓→μ0，♣H=Hs,M=Ms，饱和磁化强度Ms。饱和磁感应强度Bs。（二）磁滞回线与磁化机制1．磁化机制：静磁能：磁畴与外场H的交互作用能，起主导作用，是畴壁移动的原动力。磁畴壁移动→→跃迁→→转向与外磁场H方向一致。Ⅰ：可逆弱磁化阶段：与H成锐角的磁畴能量（静磁能）低，畴壁移动使之扩大，与H成钝角的磁畴缩小。Ⅱ：不可逆磁化：难磁化方向→易磁化方向，磁化强烈（跳跃过“能垒”，巴克豪森跳跃）。Ⅲ：缓慢饱和磁化：磁畴进一步转向H方向，大阻力。2．畴壁移动阻力退磁场能、磁晶各向异性能、磁弹性能、畴壁能。晶体缺陷、应力、组织不均匀→→不可逆磁化。（1）应力理论：（2）杂质理论：硬磁材料：磁滞回线肥大，高Hc，高Br，高(BH)m。硬磁材料与软磁材料：软磁材料：磁滞回线瘦小，高导磁率μ、低Hc,高Ms，低Br。13.4影响材料磁性能的因素13.4.1影响抗磁性与顺磁性的因素13.4.2影响铁磁性的因素13.4.1影响抗磁性与顺磁性的因素原子结构、合金成分与组织、相变；温度抗磁性：ⅠⅡⅢbⅣbⅤbⅥbⅦbⅧbⅠbⅡbⅢⅣⅤⅥⅦ0HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcRf顺磁性：氧/石墨。惰性气体；非金属元素形成分子；金属Cu/Ag/Au1．原子结构：2.温度：对抗磁性影响很小：相变/形成化合物，χ变化;顺磁性：居里定律：居里-外斯定律：铁磁性物质：T＞TN（θ）（居里温度）→→顺磁性，M~H呈线性关系。3．相变与组织转变：熔化、晶粒细化、加工硬化：原子间距增大→抗磁性↓→顺磁性。Cu：高度加工硬化：抗磁性→顺磁性。涉及到原子间作用、结合力的因素，对χ有影响（原子数量、轨道）4．合金成分与组织Cu3Zn5中间相13.4.2影响铁磁性的因素自发磁化过程：技术磁化过程：与成分、原子结构、晶体结构、相的性质与相对量有关，与组织形态无关。组织不敏感参数：Ms，λs，K（磁各向异性常数），Tc。对组织敏感：Hc，Br，χ，μ。Fe,Co,Ni→铁磁性。1.温度T↑→→原子热运动加剧，原子间距↑，→→交换作用降低，自旋磁矩排列紊乱，→→Ms↓,Bs\Br\Hc↓。2．形变与晶粒度缺陷↑，内应力↑→→畴壁移动难，磁化与退磁过程困难→→对组织敏感的参数变化，对Ms不影响。（1）冷塑变：（2）织构：（3）细晶粒：晶界阻碍畴壁移动与转动：μ↓，Hc↑冷轧硅钢片：100{001}立方织构磁化性能好。应力状态较简单3．固溶体与多相合金（1）固溶体：铁磁性金属强顺磁性铁磁性抗磁性或弱磁性Ms↓,(溶质的4s电子进入3d壳层，玻尔磁子数减少)Ms先↑后↓直线变化；Ni-Co合金，固有磁矩间交互作用增强→→Ms↑。+非铁磁性元素间：Mn+As/Bi/B/C/H/N/P/S/Sn/O/Pt→→A0,铁磁性；Cr+Te/Pt/O/S→→A0,铁磁性。Fe-Co30是目前Ms最高的合金。Ms=2×106A/m(2)化合物：铁磁性金属非金属元素Si,O,S,C,N抗/顺磁性顺磁性.（Ms↓,4S进入3d壳层）铁磁性（亚铁磁性）FeSi2，Fe3O4，Fe3S，Fe3C，Fe4N.+(3)多相合金：钢中相与组织：热处理：退火态Ms，μ，Br淬火态Ms,μ,Br(应力理论、杂质理论)淬火后Ar多，内应力高;退火态Hc淬火态Hc与各相的Ms及相对量有关，居里点有多个。Ms=∑Msi·PiF,P,B,M：强铁磁性Fe3C：弱铁磁性合金碳化物，A,Ar：顺磁性三、铁磁性的测量方法与应用1．冲击法测磁化曲线和磁滞回线环形试样：无退磁场，漏磁通少；但不便于加工、更换，产生的磁场较弱，达不到Ms。适于软磁材料的起始磁化部分;不适于硬磁材料。2．感应热磁仪测钢的C曲线试样：φ3~5mm,长30~50mm,表面镀Cr;H=32~56×103A/m，磁场较弱，只作定性分析，可自动测量。E1/E2反饶A→P/B；顺磁性→强铁磁性；E1-E2＞0；转变量愈多，读数越高。3．热磁仪测C曲线M=k·αα为光尺读数，可代表铁磁相的数量。磁路不闭合，不易精确测量。相变过程中M的变化。4．冲击法测Ar空心磁头，试样迅速放入或抽出（机械装置保证）应用：测Ar,(M∝铁磁相量)硬磁材料：磁滞回线肥大，高Hc，高Br，高(BH)m。硬磁材料与软磁材料：软磁材料：磁滞回线瘦小，高导磁率μ、低Hc,高Ms，低Br。13.5磁性材料及其应用13.5磁性材料及其应用13.5.1软磁材料电机和开关器件晶态纯铁硅钢片Fe-Ni合金软磁铁氧体非晶态纳米微晶Fe基非晶Co基非晶Fe-Ni基非晶表13-2典型的软磁工程材料名称成分/(%)相对磁导率矫顽力Hc(A/m)剩磁BrT最大磁感应强度／T初始最大工业纯铁99.8Fe1505000800.772.14硅钢（无织构）3Si余Fe2708000600.772.01硅钢（织构）3Si余Fe14005000071.22.014-79坡莫合金4Mo79Ni余Fe4000020000010.801.2金属玻璃Fe79B16Si58003000080.301.58MnZn铁氧体H5C2(TDK)100003000070.090.40NiZn铁氧体K5(西门子)29030000800.250.3313.5.2硬磁材料金属硬磁材料碳钢铁基合金：Fe-Mn-Ti，Fe–Cr