材料物理性能PPT课件.ppt

绪论 按材质分类 金属材料 无机非金属材料 高分子材料按应用领域分 结构材料 强调力学性能 应力应变 强度 塑性 韧性功能材料 强调物理性能 电性能 导电性能 电阻 电阻率 导电率热性能 热容 热膨胀 热传导磁性能 软磁 硬磁声学性能 减震降噪 吸音光学性能 光的折射 反射 吸收功能的复合与转换 热电 温度引起电势的变化压电 力学性能引起极化现象电光 光学特性受电场影响而发生变化磁光 光学性能受磁场影响而变化声光 1 材料的力 电 热之间功能转换关系 连接这些顶角的对角线表示三个主要效应 1 在可逆变化并考虑单位体积时 温度的变化引起墒的变化dS C T dT式中 标量c是单位体积的热容 而T为绝对温度 2 电场的小变动dEj引起电位移变化dDi 且有如下关系式 dDi KijdEj式中 Kij为电容率张量 3 应力的小变化d kl会引起应变的小变化d ij 具体关系为d ij Sijkld ij式中Sijkl为弹件柔度 连接不同顶角的线段代表不同的藕合效应 下部表示材料的热弹效应 两条对角线中的一条代表由温度变化引起应变的热膨胀 表示由应力引起熵 热 的压热效应 两条平行线 上条线表示由应变引起熵 热 的形变热 下条线代表由温度变化而形状不变时引起的热压力 2 内容 系统地阐明金属材料物理性能 热 电 磁 弹性与内耗 的变化本质 变化规律 影响因素 测试方法及其在金属材料研究中的应用 目的 在掌握必要的物理性能本质的基础上 着重掌握金属物理性能与金属成分 组织 结构之间的关系和金属物理性能的主要测试原理 方法 以期达到在金属研究中能合理选择物理性能分析方法及确定实验方法的初步能力 并为应用和发展特殊物理性能的金属材料打基础 参考书目 宋学孟 金属物理性能分析 机械工业出版社 1991徐京娟 金属物理性能分析 上海科技出版社 1987陈述川 材料物理性能 上海交通大学出版社 1999 3 第一章电性能 1 1金属的导电性一 表征参数电阻R 电阻率 m 导电率 S m 电阻温度系数 导体 10 8 10 4 m半导体 10 4 10 7 m绝缘体 10 8 10 18 m 4 二 金属导电理论1 经典电子理论假设 金属晶体中原子失去价电子成为正离子 正离子构成晶体点阵 价电子成为公有化电子 电子间无相互作用 自由电子与正离子间的作用仅类似于机械碰撞 无外场作用时 自由电子沿各向运动的机率相同 不产生电流 施加外电场后电子获得加速度 发生定向迁移 从而产生电流 设单位体积金属中的自由电子数为n 则电流密度导电率 J E 单位体积中自由电子数越多 电子运动自由程越大 金属导电性越好 缺陷 忽略了电子间的排斥作用和正离子点阵周期场的作用 5 2 量子理论假设 在金属中点阵所产生的势场各处均匀 即离子与价电子没有相互作用 且价电子为整个金属所共有 但明确指出 金属中每个原子的内层电子基本保持着单个原子时的能量状态 所有价电子按量子化规律具有不同能量状态 即具有不同能级 6 第二章热学性能 热学性能包括热容 热膨胀和热传导 其共同特点是这些性能和金属中原子的热振动密切相关 即热学性能直接取决于晶格振动 由于金属及合金在发生相变时伴随热的吸收或释放 因此可根据热焓 热容等参数变化来判断相变类型 利用对热或温度的测量 确定相变的临界点 从而研究相的析出 固溶 冷加工后的回复与再结晶等过程 7 2 1热容 8 2 2热膨胀 一 热膨胀及其物理本质定义 材料在加热或冷却的过程中 其体积发生热胀冷缩的现象 无相变 正常热膨胀 组织转变 相变过程也能产生明显的体积效应 异常 表征参数 平均线膨胀系数 平均体胀系数 真实线胀系数 对立方晶系 各向同性材料 9 特殊膨胀合金 因瓦合金 低膨胀系数 1 8 10 6可伐合金 定胀合金 在某一温度范围内 其 接近于一恒定值 4 8 10 6 高膨胀合金 具有较高的膨胀系数 23 28 10 6 热膨胀的物理本质 金属受热时体积膨胀与离子振动有关 温度升高 导致原子间距增大 产生膨胀 其根本原因在于原子热振动时原子间的作用力成非线性 形成的势能呈非对称性 由于势能曲线的非对称性导致原子中心右移 从而使原子间距增大 出现膨胀 10 11 二 热膨胀与其它物理性能的关系1 热容 均为原子热振动增加而引起的振幅增大和振动能量增大的结果式中 r是格律乃森常数 是表示原子非线性振动的物理量 一般物质r在1 5 2 5 K为体积弹性模量 V为体积 C为等容热容 12 2 原子间结合力A 熔点 原子间结合力越大 金属熔点 Tm 越高 升高相同温度使原子间距增量减小 膨胀系数越小 满足极限方程 Tm v VTm V0 V0 Const对于立方 六方金属 C 0 06 0 076 正方金属 C 0 0276B Deby特征温度 原子间结合力与Deby特征温度的平方成正比 故Deby特征温度越高 膨胀系数越小C 硬度 原子间结合力越大 切变模量G越大 位错运动阻力越大 塑性抗力越大 硬度越高 因而膨胀系数越小 13 3 原子序数 热胀系数是原子序数的周期性函数 同一族IA族元素原子序数增加 线胀系数增大 其它A族元素随原子序数的增大 线胀系数下降 同一周期中过渡族金属膨胀系数最小 碱金属膨胀系数最大 原因在于碱金属原子间结合力小 熔点低 而过渡族元数熔点高 同时存在未排满的d f层电子 结合力大 从膨胀系数小 14 三 热膨胀的影响因素 一 相变的影响1 多晶型转变 同素异构 由于点阵结构重排 金属比容突变 导致膨胀系数不连续变化 具备一级相变的特征 2 有序无序转变 二级相变 相变时体积无突变 但膨胀系数在相变温度区间有改变 从而在膨胀曲线上出现拐折 Cv 15 16 3 磁性转变 居里点T 处 随温度的升高 由铁磁 顺磁 从而产生磁致伸缩的逆效应 即出现一附加的伸长或缩短 由相变引起 体现在膨胀系数与温度的关系上 则出现反常 Ni Co的热膨胀峰向上 为正反常 Fe热膨胀峰向下 为负反常 17 二 合金成分和组织的影响1 固溶体 绝大多数金属形成单相固溶体时 其膨胀系数介于组元的膨胀系数之间 溶剂中溶入低膨胀系数的溶质时 固溶体膨胀系数降低 反之升高 随溶质浓度的增加 其变化规律稍低于按算术相加规律的计算值 成凹曲线例 一般情况 在Al中溶入Cu Si Ni Fe Be Cu中加Pd Ni Au均降低其热膨胀系数 Cu中溶入Zn Sn使其热膨胀系数增大特殊情况 Sb Cu 但Sb加入Cu中 增大Cu的膨胀系数 与Sb的半金属性有关形成有序固溶体时 随有序度的增加 原子间结合力增大 故其膨胀系数小于无序固溶体 18 2 多相合金 主要取决于组成相的膨胀系数及其体积百分比合金组织为两相机械混合时 其膨胀系数介于两组成相的膨胀系数之间 近似符合直线规律 alloy 1 V1 2 V2 多相合金的热胀系数对各相大小 分布及形状不敏感 主要取决于组成相的性质与数量 3 化合物 两元素形成化合物时 因原子间呈严格的规则排列 其元素间相互作用比固溶体原子间的作用大 故其膨胀系数较之固溶体 将较大幅度的下降 三 晶体结构的影响1 对称性 点阵类型 对立方 各向同性材料 对六方 正方晶系 由于 11 22 332 晶体缺陷 金属经 核 辐照或高温淬火后 在室温下可保留过饱和的点缺陷浓度 尤其是过饱和的空位浓度增大 使空位附近的原子间距增大 金属体积增大 膨胀系数上升 19 四 钢的膨胀特性钢的显微组织与热处理有关 常见的有M F Fe3C 构成P 索氏体 屈氏体 B A 其密度依次增大 因此在淬火得到M时 其体积增大 比容从大到小的顺序为 M Fe3C F P A热胀系数从小到大的顺序为 M Fe3C F P A 20 四 热膨胀的测量 机械式 光学式 电测式 一 机械式 千分表指示测试法 21 二 光学式测试法1 普通光学测量法 水平位移 为标样的伸长量 由此伸长量可换算为加热温度垂直位移 试样的伸长量得到试样伸长量 L T 22 2 示差光学测试法 如以OB代表试样伸长 OA代表标准样伸长 若试样和标准样同时受热膨胀 由于标准样和试样在纵坐标上引起的光点位移相反 光点的位置在C点 并且 光点实际位移代表试样和标准样在纵坐标上的投影差 故称为示差 23 三 电学测试方法1 电感式膨胀仪 依靠试样的膨胀导致电感中铁芯位移 产生差动变压 2 电容式膨胀仪 依赖试样膨胀导致电容器极板距离发生位移 使电容变化 24 五 热膨胀分析的应用 由于组织转变都伴随有明显的体积效应 根据这一特性 膨胀法对分析钢的加热 等温 连续冷却和回火过程中的转变非常有利 一 确定钢的组织转变温度1 临界转变点 相变点的测定 试样在加热或冷却过程中长度的变化由温度变化 正常热胀冷缩 与组织转变产生的体积效应 异常热胀冷缩 引起 组织转变前与组织完全转变后 试样体积或长度的变化单纯由温度引起 呈线性变化 在组织转变温度范围内 附加了由组织转变引起的异常热胀冷缩 导致膨胀曲线偏离一般规律 拐折点对应组织转变的临界点 2 碳钢的膨胀曲线分析 25 26 二 研究钢的等温转变1 等温转变的动力学曲线测试2 等温转变产物数量的确定与C曲线的绘制 27 三 建立钢的连续冷却转变图与淬火膨胀曲线分析 28 淬火膨胀曲线分析 可确定Ms Mf 转变产物百分比的确定 29 四 研究淬火钢的回火淬火钢的原始组织 淬火M 残余A回火过程中的三大效应 淬火M 回火M 残余A分解 碳化物的聚集与长大 80一160 温度区间发生了体积收缩 冷却膨胀曲线1表明温度降低时 曲线不沿原加热曲线回升 此时析出了碳化物相 体积收缩是由于碳化物析出 导致了马氏体的正方度下降 230一280 温度区间发生了体积膨胀 它表明淬火组织中残余奥氏体发生了分解 260一360 温度范围出现了体积收缩 它说明马氏体继续分解为铁索体和碳化铁的混合物 加热到535 后 再缓慢地冷却至室温 冷却膨胀曲线在200 附近出现了明显的拐折 它表明525 回火钢的组织已完全转变为铁素体和渗碳体 在以后的冷却过程中渗碳体于200 附近转变为弱铁磁相 30 五 研究热循环对材料的影响热循环在材料内部将产生缺陷和内应力 随热循环次数的增加 由于相变引起的膨胀幅度有规律地减小 最终完全消失 这是由于材料内部未松弛应力的作用使M体和A体都趋于亚稳定状态 在更高温度下加热 则这种亚稳定状态可得到缓解或消除 图中曲线 4 表示在第19次热循环过程中 由于加热到750 使得由从前的多次热循环稳定下来的马氏体在较高的As点开始转变 在随后的冷却过程中 还可以观察到标准的马氏体相变与第1次循环所观察到的完全相同 31 六 研究晶体缺陷晶体缺陷的存在或消失引起的晶体相对体积变化为10 4数量级 利用这种性质可以确定形变试件或高温淬火零件的空位或位错密度 32 七 研究快速升温时金属相变及合金时效动力学在焊接 电加热 高频 热疲劳及高速连续热处理工艺中 由于升温速度极快 所以研究钢和合金快速加热的相变非常重要 用快速膨胀仪测得的Fe 8 Co 质量分数 合金的不同升温速度对 相变温度的影响结果表明 随升温速度加快 相变温度也向高温推移 因为其相变机制是以扩散方式进行的 燃气轮机叶片用钢 0 06 C 10 Cr 20 Ni 3 Ti 0 4 A1 0 015 B 余为Fe 的加热膨胀曲线和时效等温膨胀曲线 经高温退火的固溶体 其加热膨胀曲线于750 出现一拐折 根据X射线相分析表明 这个拐点 体收缩 是金属间化合物Ni3 Ti Al 析出所引起的 时效等温膨胀曲线实际上表明了Ni3 Ti Al 相析出的动力学过程 700 等温时效时 Ni3 Ti Al 相析出最剧烈 33 2 3热传导 定义 由于材料相邻两部分间的温差而发生的能量迁移与传递 Fourier定律 比例系数k称为热导率 亦称导热系数 反映了该材料的导热能力 假设热传导过程中无辐射 传热速度很慢 密度不变 则结合热力学第一定律 能量守恒 将Fourier定律代入 得到导热微分方程 34 称为热扩散率 亦称导温系数 它的物理意义是与不稳定导热过程相联系的 不稳定导热过程是物体一方面有热量传导变化 同时又有温度变化 热扩散率正是把二者联系起来的物理量 它标志温度变化的速度 在相同加热和冷却条件下 愈大 物体各处温差愈小 例如淬火时 钢件的温度是外部低 内部高 若钢的导温系数大 则温度梯度小 试样温度比较均匀 反之 则试样温差大 由于各种钢的密度和比热容相差不大 因此 对于钢材可以认为导热系数愈高 导温系数也愈高 35 一 导热微观机制 固体组成质点只能在其平衡位置附近作微小振动 不能如同气体分子那样杂乱的自由运动 因此不能像气体靠分子直接碰撞来传递热量 固体中的导热主要是靠晶格振动的格波 也就是声子 自由电子的运动 光子 电磁辐射 来实现的 通常不考虑光子导热 因为只有在其高温下才可能存在光子导热 如果固体的热导率为k 则k kPh十ke式中 kph为声子热导率 ke为电子热导率金属的热传导 纯金属 导热主要靠自由电子合金 声子导热作用增强 电子导热为主 半金属 半导体 声子导热 电子导热作用相当 绝缘体 声子导热 36 也可引入热阻率 其大小表征材料对热传导的阻隔能力则合金固溶体的热阻也可分为两部分 基本热阻 本征热阻 为基质纯组元的热阻 与温度有关 残余热阻 与温度无关 与溶质浓度有关电子的平均自由程由金属中自由电子的散射过程决定 如果点阵完整 电子运动不受阻碍 平均自由程为无穷大 导热系数也无限大 实际晶体点阵则由于热运动引起阵点上原子的偏移 杂质原子引起弹性畸变 位错和晶界引起的点阵缺陷对电子导热影响较大 金属中电子导热率和声子导热率之比约为30 金属导热率和绝缘体导热率之比约为30 金属阵点上正离子导热与绝缘体导热情况类似 低温下金属中电子对声子的散射起主导作用 限制了声子的平均自由程 使金属的ki小于相同弹性性能的绝缘体的ki由于 电子 电子 间的散射对于能态密度很高的金属相当重要 因此在许多场合下对于过渡族金属必须考虑其影响 在极低温度下 位错通常是散射声子最重要的因素 在高温和高点缺陷浓度的情况下 点缺陷引起的热阻与点阵的非谐振动相联系 实验表明 点缺陷对声子的散射有一个初略的规则 大区域缺陷主要在最低温度下显示对热阻的贡献 点 面缺陷则主要在中等温度下显示出来 37 热导率和电导率的关系 自由电子为主要载体研究结果 在不太低的温度下 金属热导率与电导率之比正比于温度 其比例常数不依赖于具体金属 满足Widemann Franz定律 L0为洛伦兹数当温度高于Debye温度 且金属导电率较高时 L0 2 45 10 8V2 K2 W K2 在较低温度下 且金属导电率较低时 L0为一变数 则对Widemann Franz定律进行修正 当温度高于Debye温度 金属导热主要为自由电子 L0为常数 当温度较多地低于Debye温度时 声子参与导电 随温度的升高 L0下降 38 2019 12 29 39 40 二 热导率的影响因素1 温度由于在费米能EF kT的情况下 电子热容Ce与温度T成正比 一般情况下电子速度Ve为一常数 则根据 由于物理 化学缺陷与点阵振动对电子的散射 限制了电子的平均自由程 克勒蒙斯指出 在低温情况下缺陷对电子散射同样满足魏德曼 弗朗兹定律 则 令 则由于低温下基本热阻 则 41 在Debye温度以上的高温下 由于基本电阻则 一般说来 纯金属由于温度升高而使平均自由程减小的作用超过温度的直接作用 因而纯金属的导热系数一般随温度升高而降低 合金的导热系数则不同 由于异类原子的存在 平均自由程受温度的影响相对减小 温度本身的影响起主导作用 因此 随温度的升高而升高 42 2 原子结构对热传导的影响 自由电子起主要作用 与导电率密切相关 由图可见 具有一个价电子的Au Ag Cu的导热系数最高 导电性能良好的Al W等导热系数也比较高 德拜温度较高的单质 如Be和金刚石也都具有较高的导热系数 43 3 合金成分和晶体结构 1 合金中加入杂质元素 使残余热阻增大 导热系数降低 合金元素与基体金属结构差异大 则晶格畸变大 对电子 声子散射大 导热系数降幅大 合金元素与基体金属结构差异小 则晶格畸变小 对电子 声子散射小 导热系数降幅不大 如基体热传导系数大 合金元素影响较大 2 合金发生无序 有序转变时 由于点阵的周期性增强 使传导电子的平均自由程增大 使其导热系数比无序时明显增大 44 对液 固态下无限互溶的固溶体 其变化规律与电阻率变化规律相反 3 晶粒大小 晶粒越粗大 热导率越高 晶粒越细小 热导率越低 4 立方晶系 各向同性材料 热导率与晶向无关 其他晶系 则出现各向异性 45 三 热导率的测量 利用稳态传热方法控制加热功率 使半无限大试样在Y轴方向实现稳态传热 即加热与传出热量始终相等 满足 则T AY B代入边界条件 y 0T T1y HT T2温度场 根据Fourier定律 式中q与加热功率有关 W S H T1 T2可测 故 可求 X轴 Y轴 46 2 4热电性 定义 在金属导体组成的回路中 存在温差或通以电流时 会产生热与电的转换效应 热电性为组织敏感参量 可通过热电势的变化研究金属内部组织结构的变化 一 三大热电效应1 Seeback效应 温差电现象 第一热效应 1821年发现 现象 在两种不同材料 导体或半导体 组成的回路中 当两个接触点处于不同温度时 回路中就有电流通过 产生这种电流的电动势称为热电势 如果两种材料A和B完全均匀 则回路中热电势EAB的大小仅与两个接触点的温度T1和T2有关 由于两种金属中电子密度不同和逸出功不同 电子从一种金属越过界面向另一种金属迁移 故在接点处形成与温度有关的接触电势 倘若回路的两接触点温度不同 接触电势的代数和不等于零 所产生的接触电势差就是热电势 当两接点的温差不大时 热电势与温差成正比 即 SAB不仅取决于两种材料的特性 且与温度有关 称为塞贝克系数 其物理意义为两种材料的相对热电势率 47 48 2 Peltier效应 第二热效应 1834年发现 现象 当两种不同金属组成一回路并有电流在回路中通过时 将使两种金属的其中一接头处放热 另一接头处吸热 除了因电流流经电路而产生的焦耳热外 还会在接触点额外产生吸热或放热效应 电流方向相反 则吸 放热接头改变 这种效应称为Peltier效应 它满足 经过一段时间后 在放热端会上升 T1 吸热端下降一 T2 即热端更热 冷端更冷 49 3 Thomson效应 第三热电效应 1851年发现 现象 当一根金属导线两端存在温差时 若通以电流 则在该段导线中将产生吸热或放热反应 当电流方向与导线中热电流方向一致时产生放热反应 方向相反时产生吸热反应 热效应大小与材质 温度梯度有关 满足 放热吸热Seeback效应 Peltier效应 Thomson效应热电转换 广泛应用于加热 制冷 半导体 电制冷 温差发电 T1 T2 I T1 T2 I 50 二 影响热电势因素由接触电位差引起的热电势依赖于离子热振动 声子 和电子的扩散 由于声子热流的定向运动挟带传导电子 从而使热电势随温度升高而增大 热电势取决于金属或合金的成分 组织状态 同时磁场 有序化过程 冷加工 电子浓度等也有影响 1 材料本性的影响由于材料电子逸出功 电子密度的不同 导致热电势差异 纯金属热电势按以下顺序排列 任一后者的热电势相对于前者为负 Si Sb Fe Mo Cd W Au Ag Zn Rh Ir Tl Cs Ta Sn Pb Mg Al Hg Pt Na Pd K Ni Co Bi2 合金元素的影响 绝对热电势指金属与超导体成偶是在临界温度以下测得的热电势 由非过渡族元素所组成的固溶体 其热电势主要与合金元素的含量与性质有关 其绝对热电势 eb为基体热电势 ei为合金元素溶入后产生的附加热电势 多相合金的热电势介于组成相之间 若两相电导率相近 则热电势与体积百分比呈线性关系 若形成化合物 热电势发生突变 若化合物成半导体性质 由于共价结合的加强 其热电势显著增加 51 3 组织转变的影响A 同素异构转变从图可以看到 随着加热温度的升高 铁的dE dT曲线在A2点由于磁性转变发生拐折 而在A3和A4点由于发生同素异构转变 曲线产生明显跃变 B M体转变 虽然成份不变 但M体与A体结构不同 M体热电势 A体热电势C 亚稳固溶体合金的析出 过饱和固溶体的时效 回火均导致固溶体基体中合金元素的贫化 第二相的生成与析出 热电势下降 D 有序无序转变 合金有序化 导致热电势下降 52 4 塑性形变的影响形变金属 负 与退火金属成偶时 随加工程度增加 热电势值升高 5 压力影响 原子间距减小 改变了声速 声子极化及电子与声子的交互作用 从而使热电势下降 6 磁场 既有增大 也有减小 视温度范围而定 53 1 研究铝合金的时效 Al 4Mg 8Zn 从电阻和温度的关系曲线可以看出 在50 以下时效 随着时效温度的升高电阻率增大 这是由于Mg和Zn原子发生偏聚引起的 即相当于合金中形成了G P 区的阶段 在50 275 之间 电阻率下降是由固溶体析出了Al2Mg2Zn8引起的 它对应于固溶体的正常分解阶段 这个过程称为温时效 在300 时 由于多余的析出相重新回溶 固溶体中合金元素增多导致了电阻率增大 275 时 电阻率下降到最低值 将合金进行淬火 得到过饱和的固溶体组织 然后在不同温度进行时效 时效态的试样与该合金经275 完全退火状态的G1和G2成偶 如果时效只发生简单的析出过程 则热电势应当随时效温度的升高 单调下降到零值 但实测曲线却出现了两个反常变化 一是在75到125 之间热电势上升 二是随着温度的增高热电势于150 经过零值 并变为负值 于225 达到极小值 随后于275 上升 三 热电性分析的应用 分析金属材料组织结构的转变 利用Seeback效应用于热电偶测温 温差发电 电制冷 54 2 研究淬火M体的回火钢的淬火M体比其退火态组织具有较负的热电势 钢的淬火M体在回火过程中随碳饱和度的降低 热电势增高 总热电偶差值减小 从曲线的走向和变化特征可以看出 在回火等温的最初阶段热电势值下降得十分急烈 这说明马氏体中碳的析出速度很快 此后随着停留时间的增长 热电势的变化逐渐变缓并趋于停止 它反应出马氏体中的含碳量缓慢降低 而逐渐达到一个稳定状态 不同温度回火的曲线表明 回火温度愈高 碳的析出速度愈快 析出的数量愈大 并且愈容易达到稳定状态 55 2 5材料的热稳定性 热稳定性是指材料承受温度的急剧变化而不致坡坏的能力 主要指标 高温强度 蠕变抗力 抗热冲击性组织稳定 56 第三章磁性能 3 1磁性基本概念与表征参量磁化 物质在磁场中 由于受磁场作用而呈现一定磁性的现象 磁介质 能被磁化的物质 磁化后使外磁场减弱的物质 抗磁质 Cu Ag Au Zn磁化后使外磁场略有增强的物质 顺磁质 Pt Pd 奥氏体不锈钢 碱金属磁化后使外磁场急剧增强的物质 铁磁质 Fe Ni Co Gd 表征参量 H 磁场强度M 磁化强度 单位体积内的磁矩 M mH m为磁化率 系数 B 磁感应强度 通过磁场中某点 垂直于磁场方向单位面积的磁力线数 反应外加磁场H和磁介质磁化后M的综合作用效应 B 0 H M 0 1 m H 0 rH H 0 真空磁导率 r 相对磁导率 绝对 真实 磁导率 57 磁介质的分类与特征 1 抗磁体 磁化率 m0 约为10 6 10 3 它在磁场中受微弱吸力 根据 m与温度的关系 可分为 正常顺磁体 其 m随温度变化符合 m 1 T关系 金属铂 钯 奥氏体不锈钢 稀土金属等 m与温度无关的顺磁体 例如锂 钠 钾 铷等金属 反常顺磁体 3 铁磁性 在较弱的磁场作用下 就能产生很大的磁化强度 m是很大的正数 且与外磁场呈非线性关系变化 具体金属有铁 钻 镍等 铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体 此临界温度林为居里温度或居里点 常用Tc表示 4 亚铁磁体 与铁磁体类似 但 m值没有铁磁体那样大 如磁铁矿 Fe3O4 铁氧体等属于亚铁磁体 5 反铁磁体 m是小的正数 在温度低于某温度时 它的磁化率同磁场的取向有关 高于这个温度 其行为象顺磁体 具体材料有 Mn 铬 还有如氧化镍 氧化锰等 58 磁介质的磁化过程实质上是内部原子磁矩的取向过程 原子磁矩包括电子轨道磁矩 电子自旋磁矩 原子核磁矩 电子的循轨运动 公转 可以看成是一个闭合的环形电流 由此产生的磁矩成为轨道磁矩 垂直于电子运动的轨道平面 在外加磁场上的分量为 mez ml B ml 0 1 2 l 电子绕自身的轴旋转 产生一个自旋磁矩 其方向平行于自旋轴 在外加磁场上的分量为 msz B原子核磁矩约为电子磁矩的1 2000 可忽略 电子轨道磁矩与电子自旋磁矩之和构成原子的固有磁矩 原子本征磁矩如原子中所有电子壳层都是填满的 由于形成一个球形对称的集体 则电子轨道磁矩和自旅磁矩各自相抵消 此时原子本征磁矩m 0 59 抗磁性及产生原因 金属被磁化后 磁化矢量与外加磁场的方向相反 原因在于电子的循轨运动受外加磁场作用产生的抗磁矩 与外加磁场方向相反 故抗磁不是由电子的轨道磁矩和自旋磁矩本身所产生 而是在外加磁场作用下电子的绕核运动所产生的附加磁矩所产生的 60 顺磁性及产生原因 主要来源于原子 离子 的固有磁矩 在没有外加磁场时 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 若施加一定的外磁场时 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用EH表示 其大小等于 为了降低静磁能 磁矩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 磁矩的矢量和在磁场方向上的投影不断地增大 磁化不断地增强 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 还必须克服由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 自由电子在磁场的作用下同时产生抗磁矩和顺磁矩 不过它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 61 产生顺磁性的条件 原子的固有磁矩不为零A 具有奇数个电子的原子或点阵缺陷 B 内壳层未被填满的原子或离子 过渡族元素 稀土金属根据金属离子核外电子层结构不同 分为以下两类 1 电子壳层已全部被填满 即固有磁矩为零 在外加磁场的作用下由核外电子的循轨运动产生抗磁矩 抗磁矩的强弱取决于核外电子的数量 如果离子部分总的抗磁矩大于自由电子的顺磁矩 则金属为抗磁金属 如铜 金和银等 锑 铋和铅等金属也属于这种情况 所不同的是它们的自由电子向共价键过渡 因而呈现出异常大的抗磁性 碱金属和碱土金属 它们的离子也是填满的电子结构 但它们的自由电子所产生的顺磁性大于离子部分的抗磁性 呈现顺磁性 如铝 镁 锂 钠和钾等 2 离子有未被填满的电子层 即离子具有较强的固有磁矩 在外磁场的作用下 这些固有磁矩所产生的顺磁矩远大于核外电子循轨运动所产生的抗磁矩 具有这种离子的金属部有较强的顺磁性 它们属于强顺磁性金属 如3d 金属中钒等 4d 金属中的铌 锆 钼5d 金属中的铪 钽 钨和铂等 62 从元素周期表来看 每一周期前面的元素都是顺磁的 后面一些元素多为抗磁的 过渡族元素除Fe Ni Co Gd 外 几乎都具有较强的顺磁性 63 3 2抗磁 顺磁的影响因素 1 温度随温度升高 原子热运动加剧 原子磁矩无序度增加 磁矩趋向一致困难 使顺磁磁化过程困难 降低顺磁磁化率 锂 钠 钾 铷等金属 顺磁性由价电子产生 m与温度无关 对一般顺磁质 其磁化率随温度的变化服从居里定律 m C T强顺磁金属 如铁磁性金属成顺磁态 则磁化率随温度变化遵循居里 外斯定律 m C T 反铁磁性物质各有一个特定的温度TN 尼尔点 当T TN时 随温度升高 磁化率下降 当T TN时 随温度升高 磁化率升高 原子或离子的抗磁磁化率与温度无关 或者随温度变化发生微弱的改变 但当金属熔化 凝固以及发生同素异构转变时 抗磁磁化率将发生突变 64 2 同素异构转变 由于晶格类型及原子间距发生变化 从而影响电子运动状态 导致磁导率的变化 白锡是很弱的顺磁体 不但在熔化时转变为抗磁体 而且在低温发生同素异构转变 成为灰锡的同时也成为抗磁体 这是因为原子间距增大引起自由电子减少和结合电子增多 从而导致金属性的损失 顺磁性下降 抗磁性增加 加热时锰发生一系列同素异构转变 但无论是 还是 都是使顺磁磁化率增加原因在于原子间距减小 塑性和导电性增加 Fe在A2点 678 以上变为顺磁状态 在910 和1410 发生 和 转变时顺磁磁化率发生突变 Fe的磁化率比顺磁的 Fe和 Fe的都低 且 Fe的磁化率几乎与温度无关 而 Fe和 Fe的磁化率在温度升高时急剧下降 且 Fe和的磁化率曲线处于 Fe的延长线上 65 3 加工硬化 范性形变使铜和锌的抗磁性减小 经高度加工硬化后的铜变为顺磁体 但退火可以返回其抗磁性质 一般认为这是因为加工硬化时原子间距增大 密度减小所引起的变化 4 晶粒细化可以使Bi Sb Sc Te的抗磁性降低 而Se和Te在高度细化时甚至成为顺磁体 显然 无论是加工硬化还是晶粒细化都引起点阵畸变从而影响磁化率 它们影响的趋势和熔化一样使抗磁性降低 可以设想 在熔化 加工硬化或晶粒细化时 金属晶体都趋于非晶化 因而导致了类似的变化 5 合金化的影响 合金化对抗磁或顺磁磁化率的影响比较复杂当Cu Ag Al Au等低磁化率金属形成固溶体时 其磁化率以平滑的曲线随成分变化 但不成直线 表明形成固溶体时结合键发生了变化 如果将强顺磁的过渡族金属 如Pd 溶入抗磁金属Cu Ag Au中 固溶体磁性发生复杂变化 在30 Pd以下使合金 固溶体 抗磁性增强 只有在Pd的浓度更高时 磁化率才变为正值并急剧上升到Pd所固有的高顺磁值 外推开始曲线到100 Pd表明 进入固溶体的Pd在30 以下是抗磁性的 这是由于d 电子壳层被自由电子所填充使Pd在固溶体中没有离子化所造成的 Pd的同族元素Ni和Pt溶入Cu中也使自己的磁化率减小 但保持微弱的顺磁性 Cr和Mn与Pd有显著的不同 它们溶入Cu中使固溶体的磁化率急剧地增高 以致于它们在固溶体中的顺磁性大于其本身处于纯金属状态的顺磁性 66 在低价的抗磁金属中加入铁磁金属 Fe Co Ni 时 合金的磁化率急剧增高 甚至低浓度的固溶体就能转变为顺磁体 这种顺磁体的磁化率将随温度升高而降低 但是 如果以高价金属 如Sb 作溶剂 则溶于