材料的磁學(xué)性能

第九章材料的磁學(xué)性能

磁性材料具有能量轉(zhuǎn)換、存儲等功能，被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通訊自動(dòng)化、電機(jī)、儀器儀表、航空航天、農(nóng)業(yè)、生物以及醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域，是重要的功能材料。磁性不僅是磁性材料的一種使用性能，而且是許多材料的重要物理參數(shù)。了解材料的磁性，不僅對于應(yīng)用和發(fā)展磁性材料是必需的，而且對于研究材料結(jié)構(gòu)、相變也是重要的，因此磁性分析方法已經(jīng)成為研究材料特別是金屬材料的重要手段之一。

本章主要介紹材料磁性的本質(zhì)、抗磁性、順磁性及鐵磁性的特點(diǎn)及其影響因素和磁性參數(shù)的測量與應(yīng)用作。引言材料性能第九章材料的磁學(xué)性能

第一節(jié)

材料的基本磁學(xué)參量一、磁性1.磁極及其相互作用力磁體有兩個(gè)磁極。兩個(gè)距離為r，磁極強(qiáng)度分別為m1和m2的磁極間的相互作用力F為F=k（m1m2/r2）r0式中r0為r的矢量單位（有N極指向S極）；k為系數(shù)，k=1/（4πμ0），μ0=4π×10－7（H/m），為真空磁導(dǎo)率；m1和m2的單位為Wb。材料性能第九章材料的磁學(xué)性能

§9.1材料的基本磁學(xué)參量2.磁矩(1)原子中電子的磁矩電子循軌運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生軌道磁矩μl，為矢量，與電子運(yùn)動(dòng)的軌道平面垂直，大小為μl＝[li

(li

+1)]1/2μB(Am2)

式中:l為軌道角量子數(shù)，可?。?，１，２，３……（n－１），分別代表s，p，d，f層的電子態(tài)，μB為玻爾磁子，是磁矩的最小單元，它等于μB＝eh

/(4πm)(Am2)

式中e和m分別為電子的電荷和質(zhì)量，h為普朗克常數(shù)。電子自轉(zhuǎn)產(chǎn)生自旋磁矩μS，方向平行于自旋軸，大小為

μS=2[si(si+1)]1/2μB式中:s為自旋量子數(shù),其值為1/2.§9.1材料的基本磁學(xué)參量材料性能第九章材料的磁學(xué)性能

(2)原子、分子的磁矩

原子（分子）磁矩是電子軌道磁矩和自旋磁矩的總和。3d過渡族金屬和4f稀土金屬及合金的原子磁矩為

μJ=gJ

μB[J（J+1）]1/2式中：gJ=1+[J(J+1)+S(S+1)－L(L+1)]/[2J(J+1)]，gJ

為朗的（lande）因子；

J為原子總角量子數(shù)，可用洪德法則計(jì)算；S為原子總自旋量子數(shù)；L為原子總軌道量子數(shù)。

原子磁矩在磁場中的投影值是量子化的，它僅能取μJ·H=gJ

mJμB式中：mJ

為原子總角動(dòng)量方向量子數(shù)或原子總磁量子數(shù),它可取0、±1、±2、±3…±J，共2

J+1個(gè)數(shù)值。§9.1材料的基本磁學(xué)性能材料性能第九章材料的磁學(xué)性能★洪德（Hund）法則

對那些次層電子（s、p、D、f…等）未被填滿電子的原子或離子，在基態(tài)下，其總角量子數(shù)J，總軌道量子數(shù)L和總自旋量子數(shù)S存在如下關(guān)系：

(1)在未填滿電子的那些次電子層內(nèi)，在泡利原理允許的條件下總自旋量子數(shù)S和總軌道量子數(shù)L均取最大值；

(2)次電子層填滿不到一半時(shí)，原子總角量子數(shù)J=L－S；次電子層填滿一半或一半以上，原子總角量子數(shù)J=L+S

。

根據(jù)洪德法則可計(jì)算基態(tài)原子或離子的磁矩。但是，洪德法則不能計(jì)算塊體金屬中原子或離子的磁矩?！?.1材料的基本磁學(xué)性能材料性能第九章材料的磁學(xué)性能★塊體金屬中的原子磁矩

對于3d金屬，在大塊金屬中，4s電子已公有化，3d層電子成為最外層電子。晶體中原子3d電子軌道磁矩被晶場固定，不隨外磁場轉(zhuǎn)動(dòng)，它對原子磁矩?zé)o貢獻(xiàn)。這種現(xiàn)象稱為軌道“凍結(jié)”。3d金屬原子磁矩主要由電子的自旋磁矩來貢獻(xiàn)。

4f金屬則不同，它們的孤立離子磁矩與晶體中的離子磁矩幾乎完全一致。因?yàn)樵谙⊥两饘倬w中4f電子殼層被外層的5s和5p電子殼層所屏蔽，晶場對4f電子軌道磁矩的作用甚弱或者沒有作用。所以4f金屬的電子軌道磁矩和自旋磁矩對原子都有貢獻(xiàn)。§9.1材料的基本磁學(xué)性能材料性能第九章材料的磁學(xué)性能◆運(yùn)動(dòng)電子有磁矩，一般是軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和?！粼雍舜啪厥请娮哟啪氐?/1836.5?！粼又幸粋€(gè)次電子層被排滿時(shí)，這個(gè)電子層的磁矩總和為零，它對原子磁矩沒有貢獻(xiàn)?！舢?dāng)原子中的電子層均被排滿，則原子沒有磁矩?！糁挥性又写嬖谥幢慌艥M的電子層時(shí)，原子才具有磁矩。這種磁矩稱為原子的固有磁矩?！舢?dāng)原子結(jié)合成分子或形成晶體時(shí)，它們的外層電子磁矩要發(fā)生變化，所以分子磁矩并不是單個(gè)原子磁矩的總和。結(jié)論§9.1材料的基本磁學(xué)性能材料性能第九章材料的磁學(xué)性能二、磁化1.磁場與磁場強(qiáng)度

磁場可由永久磁鐵產(chǎn)生，也可由電流產(chǎn)生。

一個(gè)每米有N匝線圈，通以電流電流強(qiáng)度為i(A)的無限長螺線管中央的磁場強(qiáng)度為H=Ni磁場強(qiáng)度H的單位為安·匝/米，也可簡寫成安/（A/m）。

永久磁鐵的磁極極強(qiáng)為m1時(shí)，在距離r遠(yuǎn)處產(chǎn)生的磁場可用單位極強(qiáng)（m2=1）在該處受到的作用力來定義H=F/m2=k（m1/r2）r0若m1為正極（N極），F(xiàn)

的方向與H的方向相同；若m1為負(fù)極（S極），F(xiàn)

的方向與H的方向相反。材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.1材料的基本磁學(xué)性能2.磁化及磁化強(qiáng)度物質(zhì)在磁場中原子磁矩產(chǎn)生有序排列，呈現(xiàn)出磁性的現(xiàn)象稱為磁化。凡是能被磁場磁化的物質(zhì)稱為磁質(zhì)或磁介質(zhì)。物體磁化的程度可用所有原子固有磁矩μi矢量總和∑μi來表示。單位體積磁化后的磁矩稱為磁化強(qiáng)度MM=∑μi/v式中：磁化強(qiáng)度M的單位為安/米（A/m）；v為物體體積。

磁化強(qiáng)度與外加磁場強(qiáng)度和物質(zhì)本身的磁化特性有關(guān)，即M=χH

χ為磁化率（磁化系數(shù)），無量綱，它表征物質(zhì)本身的磁化特性。

有時(shí)用物質(zhì)單位質(zhì)量的磁矩表示磁化強(qiáng)度，稱為質(zhì)量磁化強(qiáng)度σσ=M/d式中：d

物質(zhì)的密度（kg/m2）；σ的單位為A·m2/kg。§9.1材料的基本磁學(xué)性能材料性能第九章材料的磁學(xué)性能3.磁感應(yīng)強(qiáng)度

任何物質(zhì)被磁化時(shí)，由于內(nèi)部原子磁矩的有序排列，除了外磁場外還要產(chǎn)生一個(gè)附加磁場。在物質(zhì)內(nèi)部，外磁場H和附加磁場H’

的和乘以μ0

稱為磁感應(yīng)強(qiáng)度B，單位為韋伯/米2（Wb/m2）。亦即，通過物質(zhì)內(nèi)部磁場中某點(diǎn)，垂直于磁場方向單位面積的磁力線數(shù)。它與磁場強(qiáng)度H

的關(guān)系是B=μ0(H+H’)或B=μ0(H+M)B=μ0(1+χ)H=μ0μrH=μH式中μr為相對磁導(dǎo)率；μ為磁導(dǎo)率或?qū)Т畔禂?shù)，它反應(yīng)了磁感應(yīng)強(qiáng)度B

隨外磁場H變化的比率（或速率）。

§9.1材料的基本磁學(xué)性能材料性能第九章材料的磁學(xué)性能

真空磁導(dǎo)率μ0

與物質(zhì)磁化強(qiáng)度M的乘積稱為磁極化強(qiáng)度JJ=μ0

MJ有時(shí)也稱為內(nèi)稟磁感應(yīng)強(qiáng)度，其單位與磁感應(yīng)強(qiáng)度相同。4.磁化曲線

磁化強(qiáng)度M和磁感應(yīng)強(qiáng)B度隨外磁場H變化的曲線稱為磁化曲線.有三種類型。

§9.1材料的基本磁學(xué)性能材料性能第九章材料的磁學(xué)性能HM根據(jù)磁化曲線，可以把物質(zhì)分為三類：使磁場減弱的物質(zhì)稱為抗磁性物質(zhì)；使磁場略有增強(qiáng)的為順磁性物質(zhì)；使磁場強(qiáng)烈增加的為鐵磁性物質(zhì)。

MH第二節(jié)

材料的抗磁性與順磁性

一、材料抗磁性與順磁性的物理本質(zhì)材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.2材料的抗磁性與順磁性

順磁0M抗磁H1.抗磁性材料被磁化后，磁化矢量與外加磁場方向相反的稱為抗磁性，χ<0。

材料的抗磁性來源于電子循軌運(yùn)動(dòng)時(shí)受外加磁場作用所產(chǎn)生的抗磁矩。

電子循軌運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的軌道磁矩為

ml=0.5eωr2。式中：e為電子電荷；ω為電子循軌運(yùn)動(dòng)的角速度；r為軌道半徑。電子循軌運(yùn)動(dòng)的受力狀態(tài)如圖。材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.2材料的抗磁性與順磁性

電子循軌運(yùn)動(dòng)時(shí)要受到一個(gè)向心力FC，當(dāng)電子受到垂直于軌道平面的磁場作用時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)附加力ΔFc，ΔFc稱為洛倫茲力，它等于μ0eH

。當(dāng)電子順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，ΔFc

與Fc的方向相同,使向心力增大。由ΔFc=mrω可知，向心力的增大必將導(dǎo)致ω增大Δω，m

必將相應(yīng)增大Δm

，相反方向運(yùn)動(dòng)的電子同樣也會增加Δm。附加磁矩Δm都與外加磁場的方向相反，故稱為抗磁矩。一個(gè)電子的抗磁矩為：材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.2材料的抗磁性與順磁性

式中負(fù)號表示Δm與H的方向相反。

一個(gè)原子的抗磁矩為：

式中ri為電子運(yùn)動(dòng)的軌道半徑在垂直于磁場方向平面上的投影。任何材料在磁場作用下都要產(chǎn)生抗磁性。2.順磁性

材料被磁化后，磁化矢量與外加磁場方向相同的稱為順磁性，χ>0。材料的順磁性主要來源于原子（離子）的固有磁矩。若施加一定的外加磁場時(shí)，由于磁矩與磁場相互作用，磁矩具有較高的靜磁能為了降低靜磁能，磁矩必將改變與磁場之間的夾角，于是便產(chǎn)生了磁化。

HH材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.2材料的抗磁性與順磁性無磁場弱磁場強(qiáng)磁場二、影響材料抗磁性與順磁性的因素

1.原子結(jié)構(gòu)的影響

磁場作用下電子的循軌運(yùn)動(dòng)要產(chǎn)生抗磁矩，而離子的固有磁矩則產(chǎn)生順磁矩。自由電子所產(chǎn)生的抗磁矩遠(yuǎn)小于順磁矩，故自由電子的主要貢獻(xiàn)是順磁性。材料屬于哪種磁性，取決于哪種因素占主導(dǎo)地位。

惰性氣體，它們的原子磁矩為零，在外磁場作用下只能產(chǎn)生抗磁磁矩，是典型的抗磁性物質(zhì)。

非金屬材料，當(dāng)它們形成分子時(shí)，由于共價(jià)鍵的作用，使外層電子被填滿，它們的分子就不具有固有磁矩。絕大多數(shù)非金屬都是抗磁性物質(zhì)，只有氧和石墨是順磁性物質(zhì)。材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.2材料的抗磁性與順磁性金屬是由點(diǎn)陣的離子和自由電子所構(gòu)成的，電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生抗磁磁矩，離子和自由電子產(chǎn)生順磁磁矩。自由電子所引起的順磁性是比較小的，當(dāng)內(nèi)層電子未被填滿，自旋磁矩未被抵消時(shí)，才可能產(chǎn)生較強(qiáng)的順磁性。

Cu、Ag、Au、Cd、Hg等，它們的離子所產(chǎn)生的抗磁性大于自由電子的順磁性，因此是抗磁性的。

堿金屬都是順磁性的。堿土金屬（除Be外）也都是順磁性的。稀土金屬4f層和5d層沒有填滿，順磁性較強(qiáng)，磁化率較大。

Ti、V、Cr、Mn等過渡元素3d層未被填滿，呈強(qiáng)烈的順磁性或鐵磁性。

材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.2材料的抗磁性與順磁性2.溫度的影響

溫度對抗磁性一般沒有什么影響，但當(dāng)金屬熔化、凝固、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變以及形成化合物時(shí)，使抗磁磁化率發(fā)生變化。溫度對順磁性影響很大，順磁物質(zhì)原子的磁化率與溫度的關(guān)系，一般通過居里定律來表示χ

＝c/T式中c

是居里常數(shù)，它等于nμB2/3k，這里n是單位體積里的原子數(shù)，k是玻耳茲曼常數(shù)；T是絕對溫度，μB是原子磁矩。更適用的是居里—外斯定律χ＝C’/(T+Δ)

式中C’是常數(shù)，Δ對某一種物質(zhì)也是常數(shù)，其值可大于0和小于0。鐵磁性物質(zhì)在居里點(diǎn)以上是順磁性的，其磁化率大致服從居里—外斯定律，這時(shí)的Δ為-θ，θ表示居里溫度。

材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.2材料的抗磁性與順磁性3.相變及組織轉(zhuǎn)變的影響

材料發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，由于晶格類型及原子間距發(fā)生了變化，會影響電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而導(dǎo)致磁化率的變化。例如，正方晶格的白錫轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸Y(jié)構(gòu)的灰錫時(shí)，磁化率明顯變化。但影響的規(guī)律比較復(fù)雜。

加工硬化使金屬的原子間距增大而密度減小，從而使材料的抗磁性減弱。例如，當(dāng)高度加工硬化時(shí)，銅可以由抗磁變?yōu)轫槾?。退火與加工硬化的作用相反，能使銅的抗磁性重新得到恢復(fù)。材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.2材料的抗磁性與順磁性4.合金成分與組織的影響

固溶體合金的磁化率因原子之間結(jié)合的改變而有較明顯的變化。由弱磁化率的兩種金屬組成固溶體時(shí)，其磁化率和成份按接近于直線的平滑曲線變化，如Al-Cu合金的α固溶體等。由抗磁金屬為溶劑，強(qiáng)順磁金屬（或鐵磁金屬）為溶質(zhì)形成固溶體時(shí)，情況則比較復(fù)雜。當(dāng)固溶體合金有序化時(shí)，由于溶劑、溶質(zhì)原子呈現(xiàn)有規(guī)則的交替排列，使原子之間結(jié)合力隨之改變，因而導(dǎo)致合金磁化率發(fā)生明顯變化。

中間相（金屬化合物），其磁化率將發(fā)生突變。如，當(dāng)Cu-Zn合金形成中間相Cu3Zn5（電子化合物γ-相）時(shí)，具有很高的抗磁磁化率，這是由于γ-相的相結(jié)構(gòu)中自由電子數(shù)減少了，幾乎無固有原子磁矩，所以是抗磁性的。

兩相合金，在兩相區(qū)范圍內(nèi)，其磁化率隨成分的變化呈直線關(guān)系。

§9.2材料的抗磁性與順磁性材料性能第九章材料的磁學(xué)性能三、抗磁與順磁磁化率的測量及應(yīng)用

1.用磁稱法測量磁化率由于抗磁與順磁磁化率都很小，所以要用較靈敏測量方法，通常采用磁稱法進(jìn)行測量。材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.2材料的抗磁性與順磁性2.抗磁與順磁分析的應(yīng)用

磁性分析在材料科學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是對于金屬材料，合金的磁化率取決于其成分、組織和結(jié)構(gòu)狀態(tài)。可以通過磁化率的變化來分析合金組織的變化，以及這些變化與溫度和成分之間的關(guān)系。這對于研究有色金屬及合金顯得更為重要。

材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.2材料的抗磁性與順磁性圖9-7Al-Cu合金的磁化系數(shù)與成份和淬火溫度的關(guān)系A(chǔ)l-Cu合金的磁化系數(shù)與成份和淬火溫度的關(guān)系第三節(jié)

材料的鐵磁性一、鐵磁材料的原子組態(tài)和原子磁矩鐵磁性材料在外加磁場的作用下，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的磁化，其磁化矢量與外加磁場的方向一致,但它與順磁金屬的磁化特性有顯著的不同，這是由鐵磁材料的原子組態(tài)所決定的。

鐵磁性來源于原子未被抵消的自旋磁矩和自發(fā)磁化。

過渡族金屬的3d層都未被電子填滿，因此這些金屬原子都有剩余的自旋磁矩。

FeCoNi原子外層電子分布

3d24s23d74s23d84s2d層電子填充規(guī)律

↑↓↑↑↑↑↑↓↑↓↑↑↑↑↓↑↓↑↓↑↑未抵消自旋數(shù)

432材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性二、自發(fā)磁化在沒有外磁場的情況下，材料發(fā)生的磁化稱為自發(fā)磁化。金屬內(nèi)部的自發(fā)磁化是由于電子間的相互作用產(chǎn)生的。當(dāng)兩個(gè)原子相接近時(shí)，它們的3d層和4s層的電子可以相互交換位置，迫使相鄰原子自旋磁矩產(chǎn)生有序排列。因交換作用所產(chǎn)生的附加能量稱為交換能，用Eex表示Eex＝-2AS1·S2=-2AS2cosφ

式中A為交換能積分常數(shù)；S1與S2分別是兩個(gè)電子的自旋動(dòng)量矩矢量；φ是兩個(gè)自旋動(dòng)量矩夾角，S是S1與S2的模，因S1與S2是同類電子，所以它們的模相等。

電子能否相互交換位置，取決于A值。材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性

★自發(fā)磁化的條件

A＞0，當(dāng)φ＝0、cosφ＝1時(shí)Eex為最低值，即只有當(dāng)自旋磁矩同向排列時(shí)才具備能量最低的條件。

A＜0，則φ=π、cosφ＝-1時(shí)，Eex才等于最低的負(fù)值，即自旋磁矩反向排列時(shí)能量最低。材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性交換能常數(shù)A與a/r之間的關(guān)系A(chǔ)為原子間距，r為未填滿殼層的原子半徑。a/r>3時(shí)，A>0。a/r<3時(shí)，A<0。三、磁各向異性與磁致伸縮1.磁晶各向異性

當(dāng)鐵磁物質(zhì)磁化時(shí)，沿不同方向磁化所產(chǎn)生的磁化強(qiáng)度不同，即沿不同方向磁化所消耗的磁化功不同。這說明磁化矢量（MS）在不同晶向上有不同的能量，MS沿易磁化方向時(shí)能量最低，沿難磁化方向時(shí)能量最高。磁化強(qiáng)度沿不同晶軸方向的不同稱為磁晶的各向異性能。材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性2.磁致伸縮效應(yīng)

鐵磁物質(zhì)磁化時(shí)，沿磁化方向發(fā)生長度的伸長或縮短的現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)?？捎么胖律炜s系數(shù)λ表示：λ＝Δl/l式中l(wèi)

為鐵磁體的原始長度，Δl

為伸長量。

λ＞0,稱為正磁致伸縮，如鐵；λ＜0，稱為負(fù)磁致伸縮，如鎳。

當(dāng)磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和值MS時(shí)，λ＝λS，λS稱為飽和磁致伸縮系數(shù)。對于一定的材料，λS是一個(gè)常數(shù)。對λS＞0的材料進(jìn)行磁化時(shí)，若沿磁場方向加以拉應(yīng)力，則有利于磁化，而加壓應(yīng)力則阻礙其磁化。對λS＜0的材料，則情況相反。

λ也具有各向異性。

材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性四、磁疇及其結(jié)構(gòu)

在鐵磁性物質(zhì)中，存在著許多微小自發(fā)磁化區(qū)域，稱為“磁疇”。磁疇的尺寸大小和其形狀結(jié)構(gòu)受著多種能量因素制約，如退磁能和磁致伸縮能。

退磁能是指由于鐵磁體產(chǎn)生的外磁場與內(nèi)磁場的方向相反，限制自旋磁矩的同向排列，使鐵磁體的磁性減弱，而增加的磁化能。晶體分為兩個(gè)反向磁化區(qū)（磁疇），則可使退磁能大大降低，當(dāng)形成封閉磁疇時(shí)可使退磁能降為零。材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性★磁疇壁結(jié)構(gòu)

相鄰磁疇的交界處原子自旋磁矩的排列不可能直接呈反向平行式，可能的情況是在兩相反磁疇之間形成一個(gè)過渡層，通常稱為磁疇壁。疇壁內(nèi)自旋磁矩的方向從一個(gè)磁疇逐漸過渡到另一個(gè)磁疇疇壁的自旋磁矩卻偏離了晶體的易磁化方向，由此導(dǎo)致各向異性能增高。疇壁的自旋磁矩卻偏離了晶體的易磁化方向，由此導(dǎo)致各向異性能增高。材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性★實(shí)際的磁疇壁

疇壁的自旋磁矩偏離了晶體的易磁化方向，由此導(dǎo)致各向異性能增高。此外還由于磁致伸縮的變化使彈性能升高，所以形成疇壁需要一定的能量。疇壁的總能量與磁疇壁的面積有關(guān)，疇壁面積越大，能量越高。而磁疇越小，磁疇壁面積就越大。當(dāng)磁疇變小使磁致伸縮能減小的數(shù)量和疇壁形成所需要的能量相等時(shí)，即達(dá)到了能量最小的穩(wěn)定閉合磁疇組態(tài)。在沒有外磁場時(shí)，通常磁疇呈細(xì)小扁平的薄片狀或細(xì)長的棱柱狀，大小約為10-6mm3，磁化矢量指向易磁化方向。在多晶體中，一個(gè)晶粒內(nèi)可有數(shù)個(gè)磁疇。在磁場的作用下磁疇的大小和方向都可能發(fā)生變化?！?.3材料的鐵磁性材料性能第九章材料的磁學(xué)性能五、磁化曲線與磁滯回線曲線可分為三個(gè)部分：1.在微弱的外磁場中，磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁化強(qiáng)度M均隨外磁場強(qiáng)度H的增大緩慢上升,磁化可逆;2.外磁場強(qiáng)度H增大，B和M急劇增高，μ快速增長，并出現(xiàn)極大值μm，此階段的磁化是不可逆的，即去掉磁場仍保持部分磁化3.H再進(jìn)一步增大，B和M增大的趨勢逐漸變緩，磁導(dǎo)率趨向于μ0。0123材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到HS時(shí)，M便達(dá)到飽和值，即H再繼續(xù)增大時(shí)，M不再變化。M飽和值稱為飽和磁化強(qiáng)度MS

，相對應(yīng)的B稱為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度BS。

磁滯回線

磁化達(dá)到飽和后，再逐漸減小H的強(qiáng)度，M將隨之減小。當(dāng)H=0時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度并不等于零，而是保留一定大小的數(shù)值，這就是鐵磁金屬的剩磁現(xiàn)象。要使M值繼續(xù)減小，必須加反向磁場-H，當(dāng)H等于一定值HC時(shí)，M值才等于零。HC為去掉剩磁的臨界外磁場，稱為矯頑力。磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化總是落后于磁場強(qiáng)度的變化，這種現(xiàn)象稱為磁滯應(yīng)，它是鐵磁材料的重要特性之一。由于磁滯效應(yīng)的存在，磁化一周得到一個(gè)閉合回線，稱為磁滯回線，回線所包圍的面積相當(dāng)于磁化一周所產(chǎn)生的能量損耗，稱為磁滯損耗。

HHm-Hc§9.3材料的鐵磁性材料性能第九章材料的磁學(xué)性能

磁滯回線中，第二象限部分也稱為退磁曲線，從中可求出最大磁能積(BH)m=Bd·Hd

、隆起度（凸出系數(shù)）γ=(BH)m/Br·Hc

回復(fù)系數(shù)tgα=ΔB/ΔH等，這些都是永磁材料的重要參數(shù)。D材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性根據(jù)材料磁滯回線的形狀，可將磁性材料分為軟磁材料和硬磁材料。軟磁材料的磁滯回線瘦小，具有高μm與低HC等特性。通常用作電磁鐵、變壓器鐵心、磁記憶存儲材料等。硬磁材料的磁滯回線肥大，具有高HC

、Br、(BH)m等特性。材料被外磁場磁化后，去掉外磁場仍能保持較強(qiáng)的剩磁，又稱永磁材料。六、鐵磁材料的技術(shù)磁化

鐵磁材料在外加磁場的作用下所產(chǎn)生的磁化稱為技術(shù)磁化。

1.技術(shù)磁化過程

cef材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性磁化曲線分為三個(gè)階段，對應(yīng)著三種不同的磁化過程：

0-a

磁疇壁移動(dòng)。與磁場成銳角的磁疇擴(kuò)大，而與磁場成鈍角的磁疇縮小，表現(xiàn)出微弱的磁化。

a-c

磁疇壁的躍遷。進(jìn)入不可逆轉(zhuǎn)磁化階段。

c-e

磁疇的可逆轉(zhuǎn)動(dòng)。磁疇轉(zhuǎn)動(dòng)很困難，磁化強(qiáng)度上升緩慢。2.磁疇壁移動(dòng)的阻力

磁疇壁移動(dòng)存在著阻力，因此需要由外磁場做功。阻力來自兩個(gè)方面：一是由磁體磁化所產(chǎn)生的退磁場能、二是由晶體內(nèi)部的缺陷，應(yīng)力、以及組織所造成的不均勻性。γabxxab材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性(1)應(yīng)力理論晶體中有內(nèi)應(yīng)力，疇壁應(yīng)處于低應(yīng)力的區(qū)域。疇壁的位移就會導(dǎo)致比表面能的升高，疇壁移動(dòng)需克服阻力。疇壁移動(dòng)后處于新的較低的能谷位置，要使疇壁退回到x0位置，必須施加反向的外磁場，以克服回程的阻力。這就是矯頑力的產(chǎn)生。。2.雜質(zhì)理論

無外磁場時(shí)，疇壁如果位于雜質(zhì)分布處，則疇壁被雜質(zhì)穿孔而減少了總面積，使總疇壁能低而穩(wěn)定，如圖中的O位置。

OabHMM材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性外磁場足夠大，疇壁脫離雜質(zhì)處于新的穩(wěn)定位置。欲使疇壁再回到原來位置，則必須施加反向磁場,產(chǎn)生矯頑力。

當(dāng)外磁場作用時(shí)，疇壁脫離雜質(zhì)，疇壁面積增加,總的疇壁能升高，脫離了疇壁的雜質(zhì)會出現(xiàn)自由磁極而使退磁能升高。以兩項(xiàng)能上量的升高，均構(gòu)成疇壁的位移阻力。外磁場作用較小時(shí)，疇壁成彎弓狀；七、影響鐵磁性參數(shù)的因素1.溫度

溫度升高使鐵磁性的飽和磁化強(qiáng)度MS下降，當(dāng)溫度達(dá)到居里點(diǎn)時(shí)MS降至零，使鐵磁材料變?yōu)轫槾判?。溫度升高也使飽和磁感?yīng)強(qiáng)度BS、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br和矯頑力HC減小。2.形變和晶粒度

冷塑性變形會使組織敏感的鐵磁性發(fā)生變化。隨著形變度的增加，導(dǎo)磁率μm減小而矯頑力HC增高。冷塑性變形不影響飽和磁化強(qiáng)度MS

。成形變織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)，則磁性會呈現(xiàn)明顯的方向性。當(dāng)硅鋼片在再結(jié)晶退火后形成〈100〉{001}的立方織構(gòu)時(shí)，沿軋制方向和垂直軋制方向均為易磁化方向，因而能獲得最優(yōu)良的磁性，所以立方織構(gòu)是最理想的織構(gòu)。

材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性

晶粒大小和冷塑性變形的影響相似。晶界處原子排列不規(guī)則，晶界附近位錯(cuò)密度也較高，造成點(diǎn)陣畸變和應(yīng)力場，阻礙疇壁的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。晶粒越細(xì)，相對晶界影響區(qū)越大，從而使磁導(dǎo)率越低，矯頑力越高。例如，很純并經(jīng)過真空退火的純鐵，當(dāng)晶粒直徑分別為6.3、0.6、0.1mm時(shí)，磁導(dǎo)率μm分別為8200、6970、4090(亨/米)。3．形成固溶體及多相合金鐵磁性金屬溶入抗磁或弱順磁性元素時(shí)，固溶體的飽和磁化強(qiáng)度MS隨溶質(zhì)組元含量的增加而降低。溶入強(qiáng)順磁性元素時(shí)，溶質(zhì)組元含量較低時(shí)使MS增加，含量高時(shí)則使MS降低。鐵磁性金屬間形成固溶體時(shí)，其飽和磁化強(qiáng)度通常隨成分單調(diào)連續(xù)變化。

§9.3材料的鐵磁性材料性能第九章材料的磁學(xué)性能

三種純鐵磁金屬飽和磁化強(qiáng)度MS的大小依次為Fe、Co、Ni。所以在Fe-Ni系中，具有體心立方的α相和具有面心立方的γ相，都是隨Ni含量的增高而使MS連續(xù)降低。在Ni-Co系中，從體心立方的Ni基固溶體到密排六方的Co基固溶體，都是隨著Co含量增加而使MS連續(xù)升高。但是，在Fe-Co系中的體心立方α固溶體中出現(xiàn)特殊情況，即先隨Co含量增加MS升高，而后MS

隨Co含量增加而降低，其最大值出現(xiàn)在30％Co原子濃度時(shí)，MS達(dá)到2×106A/m，大于純鐵的MS，所以FeCo30是目前具有最高飽和磁化強(qiáng)度的合金。

非鐵磁性元素間也可能形成鐵磁性固溶體。以Mn、Cr為基形成某些固溶體時(shí)，由于其交換積分A變?yōu)檎刀疏F磁性。Mn與As、Bi、B、C、H、N、P、S、Sn、O、Pt及Cr與Te、Pt、O、S組成固溶體時(shí)便是這種情況。

材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性

◆對于鐵磁金屬中溶入碳、氮、氧等元素而形成間隙固溶體時(shí)，由于點(diǎn)陣畸變造成應(yīng)力場，隨著溶質(zhì)原子濃度的增加，HC增加而μ、Br降低。

材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性◆鐵磁性金屬與順磁性和抗磁性金屬形成的化合物是順磁性，而與非金屬元素形成的化合物，如FeSi2、Fe3O4、Fe3S、Fe3C、Fe4N等是鐵磁性的。

◆在多相合金中，合金飽和磁化強(qiáng)度MS是由各組成相的飽和磁化強(qiáng)度以及它們的相對量所決定

MS＝Ms1P1+Ms2P2+……+MsnPn

式中Ms1、Ms2…Msn為各組成相的飽和磁化強(qiáng)度；P1、P2…Pn為各相的體積百分?jǐn)?shù)。。九、鐵磁性的測量與應(yīng)用

1.磁化曲線和磁滯回線的測量+-W1

沖擊法測磁原理圖

材料性能第九章材料的磁學(xué)性能§9.3材料的鐵磁性在環(huán)形試樣T上繞上磁化線圈W1（匝數(shù)為N1），用于產(chǎn)生較強(qiáng)的磁化磁場。在試樣上同時(shí)繞制測量線圈W2(匝數(shù)為N2)，用于產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。線圈W1連接直流電源，線圈W2則串聯(lián)沖擊檢流計(jì)組成測量回路。當(dāng)W1中通以電流I1時(shí)，則產(chǎn)生的磁場為：

H=N1I1/l式中l(wèi)為試樣的中心周長。

當(dāng)在短時(shí)間內(nèi)，磁場從零增大到一定值H時(shí)，