《材料性能学》课件-第九章 材料的磁学性能

第九章材料的磁学性能磁性材料具有能量转换、存储或改变能量状态的功能，被广泛使用于计算机、通讯、自动化、影像、仪器仪表、航空航天、生物等技术领域，是重要的功能材料。1.原子是由原子核与原子核外的电子组成的。通电圆形线圈感应产生磁场电子自旋角动量单原子的磁矩普通分子的磁矩铁原子的磁矩磁铁分子的磁矩净磁矩

材料磁性的本源是材料内部电子的循轨和自旋运动。物质的磁性就是由电子的这些运动产生的，由物理学可知，任一封闭电流都具有磁矩ｍ。其方向与环形电流法线的方向一致，其大小为电流与封闭环形的面积的乘积IΔS。

运动电子的磁矩，一般是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。原子核也有磁矩，不过它的磁矩很小，约为电子磁矩的1/2000，一般忽略不计。原子核外电子的排布规律

核外电子结构用四个量子数n，l，ml，ms表征(多电子体系)。电子轨道大小由主量子数n决定，n=1,2,3,4,…的轨道群，又称为K,L,M,N,…的电子壳层

轨道的形状由角动量l

决定，l=0,1,2,3,…n-1，又称为s,p,d,f,g,…电子。当施加一个磁场在一个原子上时，平行于磁场的角动量也是量子化的。l

在磁场方向上的分量由磁量子数ml决定，ml=l,l-1,l-2,…0,…-(l-1),-l，共有(2l+1)个值。电子自旋量子数由ms决定●KLMZeCompanyLogo主量子数n代表主壳层，轨道量子数l代表次壳层，能量相同的电子可以视为分布在同一壳层上。电子轨道磁矩电子绕轨道运动相当于一个环形电流i，i=-e/t，形成的磁矩为iS。原子中各电子轨道的磁矩方向是空间量子化的，最小单位为玻尔磁子μB，μB=9.27×10-24A·m2.电子循轨运动的磁矩大小和轨道角动量大小相关，是角量子数l的函数。由量子力学知，角量子数为l的轨道电子的磁矩为其中l＝0，1，2…n-1CompanyLogo磁性功能材料-磁学基础在填充满电子原子壳层中，各电子的轨道运动分别占了所有可能的方向，形成一个球体，因此合成的总角动量等于零，原子的总磁矩为零。所以计算原子的轨道磁矩时，只考虑未填满的那些壳层中的电子-这些壳层称为磁性电子壳层。

当某未满壳层中包含多个电子时，该支壳层的电子按角动量耦合原则耦合成一个总角动量。原子磁矩是和这个总角动量相联系的。如Fe的原子序数26理论证明，当原子中的电子层均被排满时，原子没有磁矩。只有原子中存在着未被排满的电子层时，由于未被排满的电子层电子磁矩之和不为零，原子才具有磁矩，这种磁矩称为原子的固有磁矩。当原子结合成分子时，它们的外层电子磁矩要发生变化，所以分子磁矩并不是单个原子磁矩的总和。二、材料的磁化铁使磁场强烈地增强，铜则使磁场减弱，而铝虽使磁场增强，但很微弱。就是说，物质在磁场中由于受磁场的作用都呈现出一定的磁性，这种现象称为磁化。凡是能被磁场磁化的物质称为磁质或磁介质，实际上包括空气在内所有的物质都能被磁化，因此从广义上讲都属磁介质。材料的磁性磁化强度

磁化强度也是描述磁质被磁化后其磁性强弱的一个物理量。称为磁化率或磁化系数，量纲为1

磁化强度当磁介质在磁场强度为H的外加磁场中被磁化时，会使它所在空间的磁场发生变化，即产生一个附加磁场H'。这时，其所处的总磁场强度为两部分的矢量和，即通常，在无外加磁场时，材料中固有磁矩的矢量总和为零，宏观上材料不呈现出磁性。但当材料被磁化后，便会表现出一定的磁性。实际上，物体的磁化并未改变原子固有磁矩的大小，而是改变了它们的取向。H总=H+H’

当一个物体在外加磁场中被磁化时，物体所在空间的总磁场强度是外加磁场强度H和材料磁化强度M之和，前面所述的附加磁场强度H'实际就等于磁化强度M，磁化强度不仅与外加磁场强度有关，还与物质本身的磁化特性有关，即

χ为磁化率，量纲为1，其值可正、可负，它表征物质本身的磁化特性。M=χH

式中:μr为相对磁导率，μ为磁导率或导磁系数，单位与μ0相同，它反应了磁感应强度B随外磁场H变化的速率。B=μ0(1+χ)H=μ0μrH=μH垂直于磁场方向单位面积的磁力线称为磁感应强度，用B表示，单位T（特斯拉）电子的磁矩电子磁矩由电子的轨道磁矩和自旋磁矩组成物质的磁性不是由电子的轨道磁矩引起，而是主要由自旋磁矩引起孤立原子的磁矩决定于原子的结构某些元素具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互抵消，因而不显磁性材料磁性的本质磁性的分类抗磁性顺磁性铁磁性反铁磁性第二节抗磁性与顺磁性根据材料被磁化后对磁场所产生的影响，可以把材料分为3类：使磁场减弱的物质称为抗磁性材料；使磁场略有增强的为顺磁性材料；使磁场强烈增加的为铁磁性材料。一、材料抗磁性与顺磁性的物理本质材料被磁化后，磁化强度M=χH(χ：磁化率)磁化矢量与外加磁场方向相反的称为抗磁性，χ＜0；材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的称为顺磁性χ＞0。通常，把测量的磁感应强度或磁化强度与外加磁场强度的关系曲线称为磁化曲线。当去除外磁场之后，仍恢复到未磁化前的状态，即存在磁化可逆性。材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场作用所产生的抗磁矩。

任何材料在磁场作用下都要产生抗磁性。1.抗磁性1.抗磁性

(1)电子轨道磁矩大小为(2)电子抗磁矩与外加磁场的方向相反

(3)原子抗磁矩

任何材料在磁场作用下都要产生抗磁性

向心力：F=mrω22.顺磁性

材料的顺磁性主要来源于原子(离子)的固有磁矩；在没有一外加磁场时，原子的固有磁矩呈无序状态分布，在宏观上并不呈现出磁性。当施加一定的外加磁场时，由于磁矩与磁场相互作用，磁矩具有较高的静磁能。所谓静磁能是指原子磁矩与外加磁场的相互作用能。为了降低静磁能，磁矩必将改变与磁场之间的夹角，于是便产生了磁化。随着磁场的增强，磁矩与磁场的夹角减小，磁化不断增强。在常温下，要使原子磁矩转向磁场方向，除了要克服磁矩间相互作用所产生的无序倾向之外，还必须克服原子热运动所造成的严重干扰，故通常顺磁磁化进行得十分困难。室温下的磁化率约为10-6数量级。二、影响材料抗磁性与顺磁性的因素（１）自由电子的主要贡献是顺磁性（２）惰性气体是典型的抗磁性物质（３）绝大多数非金属是抗磁性物质，只有氧和石墨是顺磁性物质．（４）金属只有当内层电子末被填满．自旋磁矩未被抵消时，才可能产生较强的顺磁性金属Ｃu、Ag、Au、Cd、Hg等，是抗磁性的碱金属都是顺磁性的．碱土金属(除Be外)也都是顺磁性的

3价金属也是顺磁性的稀土金属顺磁性较强，磁化率较大

Ti、Ｖ、Ｃr、Ｍn等过渡族元素，有强烈的顺磁性1.原子结构的影响

在磁场作用下电子的循轨运动要产生抗磁矩，而离子的固有磁矩则产生顺磁矩。自由电子在磁场的作用下所产生的抗磁矩远小于顺磁矩，故自由电子的主要贡献是顺磁性。材料都是由原子和电子所构成的，其内部既存在着产生抗磁性的因素，又存在着产生顺磁性的因素，属于哪种磁性材料，取决于哪种因素占主导地位。

惰性气体的原子磁矩为零，在外磁场作用下只能产生抗磁矩，是典型的抗磁性物质。其他大多数非金属元素形成分子时，由于共价键的作用，使外层电子被填满，它们的分子就不具有固有磁矩。因此，绝大多数非金属都是抗磁性物质，只有氧和石墨是顺磁性物质。1.原子结构的影响对于金属，在磁场的作用下电子运动产生了抗磁矩。与此同时，还有离子和自由电子产生顺磁矩。其中自由电子所引起的顺磁性是比较小的，故只有当内层电子未被填满，自旋磁矩未被抵消时，才可能产生较强的顺磁性。金属Cu,Ag,Au,Cd,Hg等，它们的离子所产生的抗磁性大于自由电子的顺磁性，因此是抗磁性的。1.原子结构的影响

所有的碱金属都是顺磁性的。碱土金属(除Be外)也都是顺磁性的，以上两族金属元素在离子状态时都与惰性气体相似，具有相当的抗磁磁矩，但由于电子产生的顺磁性占主导地位，故表现为顺磁性。稀土金属顺磁性较强，磁化率较大，主要是因为这些元素的原子4f层和5d层没有填满，存在着未能全部抵消的自旋磁矩。1.原子结构的影响Ti,V,Cr,Mn等过渡族元素，它们的3d层未被填满，自旋磁矩未被抵消，因而产生了强烈的顺磁性，甚至它们的合金有些就属于铁磁性的了。1.原子结构的影响

温度对抗磁性一般没有什么影响，但当金属熔化、凝固，同素异构转变，以及形成化合物时，由于电子轨道的变化和单位体积内原子数量的变化，使抗磁磁化率发生变化。

对铁磁性物质来说居里点〔居里温度)以上是顺磁性的，居里点以下是铁磁性的。2.温度的影响

当材料发生同素异构转变时，由于晶格类型及原子间距发生了变化，会影响电子运动状态而导致磁化率的变化。当材料发生其他相变时，也会影响磁化率，影响的规律比较复杂。3.相变及组织转变的影响

加工硬化对金属的抗磁性影响也很明显、加工硬化使金属的原子间距增大而密度减小，从而使材料的抗磁性减弱。例如，当高度加工硬化时，铜可以由抗磁变为顺磁。退火与加工硬化的作用相反，能使铜的抗磁性重新得到恢复。3.相变及组织转变的影响

合金由不同元素和形式组成时对磁性会有很大的影响，形成固溶体合金时磁化率因原子之间结合的改变而有较明显的变化。通常，由弱磁化率的两种金属组成固溶体时，其磁化率和成分按接近于直线的平滑曲线变化，如Al-Cu合金的α固溶体。4.合金成分与组织的影响

合金形成中间相(金属化合物)时，其磁化率将发生突变。如Cu-Zn合金形成中间相Cu3Zn5(电子化合物γ-相)时，具有很高的抗磁磁化率，这是由于γ-相的结构中自由电子数减少了，几乎无固有原子磁矩，所以是抗磁性的。4.合金成分与组织的影响

当形成两相合金时，在两相区范围内，其磁化率随成分的变化呈直线关系。根据这些关系，结合相图可对应画出磁化率随成分的变化规律，如右图所示：4.合金成分与组织的影响三、抗磁与顺磁磁化率的测量及应用由于抗磁与顺磁磁化率都很小，所以要用较灵敏的测量方法，通常采用磁称法进行测量，磁称也称为磁天平。1.用磁称法测量磁化率(1)确定合金相图中的最大溶解度曲线根据单相固溶体的顺磁性比两相混合组织的顺磁性为高且混合物的顺磁性与合金成分之间呈直线关系的规律，便可以定出合金在某一温度下的最大溶解度及合金溶解度曲线。2.抗磁与顺磁分析的应用2.抗磁与顺磁分析的应用ae段对应的成分，在450℃淬火后得到了过饱和固溶体。在e点左侧，溶质浓度越高，磁化率下降越多，而且降低较快。e点右侧的合金在450℃淬火时，有CuA12相析出，从而组成铜铝固溶体与CuA12的两相混合物，这时虽然合金的磁化率仍随着含铜量的增加而降低，但显然降低得较慢，而且呈直线下降，所以e点的成分即为450℃时铜在铝中的最大溶解度。（Al）+CuAl2（2）研究铝合金的分解对于顺磁性合金，可以通过磁化曲线的改变研究其分解的情况，这里以常见的铝铜合金为例进行分析。2.抗磁与顺磁分析的应用淬火使铝与铜形成了过饱和的固溶体。温度升高，淬火试样中析出了富铜相，磁化率不断上升，而退火试样组织不变，只是受到温度影响，使磁化率单调下降，温度达到500℃以后，淬火与退火试样的曲线完全重合，表示过饱和固溶体分解完成。第三节铁磁性与反铁磁性一、铁磁材料的原子组态和原子磁矩

铁磁性材料在外加磁场的作用下，可以产生很强的磁化，其磁化矢量与外加磁场的方向一致，但它与顺磁金属的磁化特性有显著的不同，这是由铁磁材料的原子组态所决定的。自然界中的铁磁性材料都是金属，它们的铁磁性来源于原子未被抵消的自旋磁矩和自发磁化。我们知道，过渡族金属的3d层都未被电子填满，因此这些金属原子都有剩余的自旋磁矩。在3d过渡族金属中，铁、钴、镍是铁磁性材料。锰、铬等其他一些元素也有剩余的自旋磁矩，但它们并不是铁磁性金属。这就是说，金属要具有铁磁性，它的原子只有未被抵消自旋磁矩还不够，还必须使自旋磁矩自发地同相排列，亦即产生自发磁化。二、自发磁化

在没有外磁场的情况下，材料所发生的磁化称为自发磁化。金属内部的自发磁化是由于电子间的相互作用产生的。当两个原子相接近时，它们的3d层和4s层的电子可以相互交换位置，迫使相邻原子自旋磁矩产生有序排列。三、磁各向异性与磁致伸缩铁磁性物质在磁化时具有两个很重要的特征：磁各向异性和磁致伸缩效应。当铁磁物质磁化时，沿不同方向磁化所产生的磁化强度不同。磁化强度沿不同晶轴方向的不同称为磁晶的各向异性能。铁磁物质磁化时，沿磁化方向发生长度的伸长或缩短的现象称为磁致伸缩效应。磁致伸缩系数表示沿磁化方向上的尺寸伸长，称为正磁致伸缩，如铁属这种情况；表示沿磁化方向的尺寸缩短，如镍属这种情况。当磁化强度达到饱和值Ms时，λ=λs。λs称为饱和磁致伸缩系数，对于一定的材料，λs是一个常数。实验表明，对的材料进行磁化时，若沿磁场方向加以拉应力，则有利于磁化，而加压应力则阻碍其磁化；对的材料，则情况相反。这就是应力的各向异性。

λ也是一个具有各向异性的物理量，如单晶铁和单晶镍沿不同晶向磁化时，其λ值不同。四、磁畴结构在铁磁性物质中，存在着许多微小自发磁化区域，称为“磁畴”。这种磁畴已被实验观察所证实。磁畴的尺寸大小和其形状结构受着多种能量因素制约的结果。相邻磁畴彼此之间不可能直接呈反向平行排列，在两相反磁畴之间形成磁畴壁，畴壁内自旋磁矩的方向从一个磁畴逐渐过渡到另一个磁畴。在没有外磁场时，通常磁畴呈细小扁平的薄片状或细长的棱柱状，大小约为10-6mm3，磁化矢量指向易磁化方向。在多晶体中，一个晶粒内可有数个磁畴，在磁场的作用下磁畴的大小和方向都可能发生变化。五、磁化曲线与磁滞回线磁化曲线第一部分，在微弱的磁场中，磁感应强度B和磁化强度M均随外磁场强度H的增大缓慢地上升；磁化强度M与外磁场强度H之间近似呈直线关系，并且磁化是可逆的。铁磁合金的磁化曲线第二部分，随外磁场强度H继续增大，磁感应强度B和磁化强度M急剧增高，磁导率μ增长得非常快，并且出现极大值μm，这个阶段的磁化是不可逆的，即去掉磁场仍保持部分磁化。第三部分，随外磁场强度H再进一步增大，B和M增大的趋势逐渐变缓，磁化进行得越来越困难，磁导率减小，并趋向于μ0，当磁场强度达到Hs时，磁化强度便达到饱和值，即外磁场强度再继续增大时，磁化强度不再变化。2磁滞回线磁化到饱和磁化状态后．当H＝0时，磁感应强度B并不等于零，而是保留一定大小的数值Br，铁磁金属的剩磁现象。要使B值继续减小，必须加一个反向磁场-H，当H等于一定值Hc时，B=0。Hc为去掉剩磁的临界外磁场，称为矫顽力。反向磁场继续增大，B将沿着de曲线变化为-Bs．从-Bs改为正向磁场，随着磁场强度的增大，B沿efgb曲线变化为+Bs(1)磁滞效应磁感应强度的变化总是落后于磁场强度的变化，是铁磁材料的重要特性之一。磁滞效应的存在，磁化一周得到一个闭合回线，称为磁滞回线。(2)磁滞损耗磁滞回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗。（3）退磁曲线磁滞回线中，第二象限部分也称为退磁曲线

最大磁能积(BH)m、隆起度(凸出系数)γ=(BH)m/Br•Hc、回复系数

tanα=ΔB/ΔH。图9-14退磁曲线上的有关物理量

软磁材料的磁滞回线瘦小，具有高导磁与低Hc等特性。硬磁材料的磁滞回线肥大，具有高的Hc、Br与(BH)m等特性。软磁材料通常用作电磁铁或变压器铁心等，要求材料具有高磁导率、高饱和磁化强度和低剩余磁感应强度、低矫顽力等特性。常用材料有工业纯铁，硅钢及铁镍、铁钴合金，磁性陶瓷材料等。硬磁材料又称永磁材料，是指材料被外磁场磁化后，去掉外磁场后仍保持较强剩磁的磁性材料。对这类材料，希望其具有高的剩余磁感应强度Br和矫顽力Hc及较大的最大磁能积(BH)m，特别是高的(BH)m使材料在使用中可保持稳定的磁性。常用材料有铁氧体、铝镍钴、稀土-钴以及稀土-铁类合金等。80年代以来发展起来的Nd-Fe-B系合金，是目前(BH)m值最大的永磁材料。六、反铁磁性与铁磁性金属相反，Mn,Cr等金属的相邻原子间的自旋趋于反向平行排列，原子磁矩相互抵消，不能形成自发磁化区域，这类物质称为反铁磁性物质。反铁磁性物质无论在什么温度下，其宏观表现都是顺磁性的，磁化系数x相当于强顺磁性物质的数量级。X取最大值的温度称为奈耳温度，用Tn表示，实际上Tn表征了相邻原子自旋反向排列被完全破坏的温度，超过此温度，反铁磁性转变为顺磁性，Tn也称为反铁磁居里点。外磁场同样会破坏原子间自旋的反方向排列，并使原子磁矩倾向于外磁场方向，所以在奈耳点以下，反铁磁材料也表现出顺磁性。七、铁磁材料的技术磁化铁磁材料在外加磁场的作用下所产生的磁化称为技术磁化。实际上，前面所提到的磁化曲线就是技术磁化曲线。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：弱磁场中为起始磁化阶段；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。八、影响铁磁性参数的因素铁磁性的基本参数可以分为组织不敏感和组织敏感两类参数。凡是与自发磁化过程有关的参数属于前者。这些参数主要取决于金属与合金的成分、原子结构、晶体结构、组成相的性质与相对量。凡是与技术磁化过程有关的参数都属于后者。具有实用价值的铁磁性纯金属有铁、钴、镍3种，其铁磁性的主要影响因素有温度、形变、晶粒大小、合金化及处理状态等。温度升高使铁磁性的饱和磁化强度Ms下降，当温度达到居里点时，Ms降至零，使铁磁材料的铁磁性消失而变为顺磁性。显然，这是由于温度升高使原子无规则的热运动加剧，破坏了自旋磁矩同向排列的结果。1.温度冷塑性变形会使金属中点缺陷和位错密度增高，造成点阵畸变加大和内应力升高，既使畴壁移动阻力加大，也使磁畴的转动困难，因而造成磁化和退磁过程困难，矫顽力增加。2.形变和晶粒度晶粒大小和冷塑性变形的影响相似。因为晶界不仅本身原子排列不规则，而且在晶界附近位错密度也较高，造成点阵畸变和应力场，这将阻碍畴壁的移动和转动。所以晶粒越细，晶界影响区越大，从而使磁导率越低，矫顽力越高。2.形变和晶粒度铁磁性金属溶入抗磁性元素或弱顺磁性元素时，固溶体的饱和磁化强度随溶质组元含量的增加而降低。铁磁性金属溶入强顺磁性元素时，如溶质组元含量较低时使Ms增加，而含量高时则使Ms降低。铁磁性金属间形成固溶体时，其饱和磁化强度通常随成分单调连续变化。3.形成固溶体及多相合金对于铁磁金属中溶入碳、氮、氧等元素而形成间隙固溶体时，由于点阵畸变造成应力场，随着溶质原子浓度的增加，Hc增加，而μ、Br降低。铁磁性金属与顺磁性和抗磁性金属形成的化合物是顺磁性的，而铁磁性金属与非金属元素形成的化合物，如FeSi2,Fe3O4,Fe3S,Fe3C,Fe4N等是铁磁性的。3.形成固溶体及多相合金钢是最常用的铁磁性合金，经不同热处理工艺所得到的组织及它们的组成相，具有不同的磁性。其中，铁素体是强铁磁性相，Fe3C是弱铁磁性相，合金碳化物及残余奥氏体为顺磁性相。在钢的所有组织中除奥氏体组织呈顺磁性外，其他组织，如珠光体、贝氏体和马氏体均为强铁磁性组织。3.形成固溶体及多相合金其他磁性材料磁记录的功能是将一切能转换为电信号的信息(如声音、图像、数据和文字等)，通过电磁转换记录和存储在磁记录介质上，并且该信息可以随时重放。根据记录信息的形态，磁记录可以分为模拟式磁记录和数字式磁记录两类，从记录和再生的质量、变频技术的难易等角度看，磁记录的总体趋势是从模拟式磁记录向着数字式磁记录的方向发展。根据磁化强度与记录介质的取向，数字式磁记录又可以分为水平磁化模式和垂直磁化模式两类。从小器件、高密度存储的角度来看，数字式磁记录的总体趋