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金属物理性能PhysicalPropertiesofMaterials 金属物理性能导论 材料性能研究 是材料开发的出发点 也是重要归属 金属材料一般分为工艺性能和使用性能 工艺性能体现于各种加工条件 贯穿从冶炼到成品的生产过程中 使用性能则决定了它的使用范围 使用性能包括物理性能 化学性能和力学性能 金属各性能间的区别和联系 物理性能 热学 声学 光学 电学 磁学 辐照性能化学性能 抗氧化性 耐腐蚀性 抗渗入性力学性能 强度 延性 韧性 刚性复杂性能 简单性能的组合 消振性 汽轮机的叶片等高振动器件 力学特性琴丝 大钟 力学 声学反射率 光学 金属表面的化学稳定性高温蠕变 力学 热学应力腐蚀 化学 力学 材料性能的复合与转换 长期以来材料研究者所追求的是 材料的高强度 高韧性 耐高温 抗腐蚀等主要材料结构抗力指标 在人类进入 信息社会 的今天 人类对太空 海洋和人体自身的探索日益深入 这一切对材料提出的则是更高的功能性指标 更加需要性能的复合与转换 物理性能复合产物 功能材料I 功能元件与控制元件的制备 热电偶 光电管 电阻应变片 压电晶体 一般说来 材料的结构性以原子尺度内部不发生变化为特征 而材料的功能性通常为原子内部的电子以至原子核间的交互作用而表现出来的特性 比如 电子能带结构的不同性质决定了材料的导电性差异 因而有导体 半导体 电介质和超导体之分 物理性能复合产物 功能材料II 材料的磁性决定于原子中次壳层电子是否被填满以及它们之间因 交换作用 产生不同原子取向的结果 因而有 抗磁体顺磁体和铁磁体之别 材料物理性能是材料发展中受到特别关注的领域之一 物理性能复合产物 功能材料III 它的进展凝聚着物理 化学 冶金 金属 陶瓷 聚合物等领域科学工作者的成果 在人类科技发展史上已作出了醒目的记载 磁性材料半导体材料光电材料超导材料 磁性材料的分类和应用 铁磁性材料 硬磁性材料和软磁性材料 硬磁性材料应用 永磁体 磁盘 磁条等 软磁性材料应用 电磁铁铁芯 录音机磁头线圈的铁芯等 钕铁硼永磁体 电磁铁在电铃上的应用 半导体材料的应用 半导体材料的应用都是非常重要和广泛的 移动通讯 计算机 汽车 航空航天 石油提炼 核能利用等民用高科技领域也有着广阔的应用或应用前景 半导体激光器 光电材料的应用I 红外材料 红外探测和红外透波材料 激光材料 以红外材料为基础的光电成像夜视技术能增强坦克 装甲车 飞机 军舰及步兵的夜战能力 为航空 卫星侦察 预警提供重要手段 成像制导技术可大大提高导弹的命中率和抗干扰能力 以新型固体激光材料为基础的激光测距 激光致盲武器和火控制系统等使作战能力大大加强 可调谐激光晶体为从可见光到红外波段可调谐激光系统提供工作物质可提高激光雷达 空中传感和水下探测等军用激光系统的领域监视 侦察能力 利用光纤材料 宽带 抗电磁和强核电磁脉冲干扰 保密 体积小 环境适应性强和抗辐照等优点 可实现地面武器系统无人远距离传感阵 舰船指挥可以通过光纤为远距离舰队发送信号 进行指挥 飞机将能发射光纤携绳的机载无人加强飞机或靶机等等 光电材料的应用II 超导材料的应用 零电阻与磁场相互作用产生强磁场超导磁体 物理性能对新材料研究的意义 探索材料内部微观结构组态的信息更深层次的认识材料开发新型材料物理性能测试作为材料研究的一种方法 通过各种状态下所测得的材料参数 取得固体内部微观结构组态的信息 材料的纯度 状态 相组成 精确判断相变过程的性质 数量和限度 XRD进行成分分析 3DAP 三维原子探针 对不同元素的原子逐个分析 给出纳米空间中不同元素原子的分布图形 分析界面处的偏聚 TEM观察DM钢回火稳定性组织 SEM观察DM钢淬回火组织 高温弹性模量马氏体相变内耗 PM1钢CCT曲线测定 PM1钢的连续加热转变研究 材料物理性能分析特点 有效地进行材料试验的动态过程研究 较精确地判断材料中发生相变的温度 时间 数量和限度 灵敏地确定一些微量元素对材料结构与性能的影响 所得结果反映材料的整体效应 可以避免局部微观区域观察或测量可能造成的错觉 合理地选用物理性能参数 取得预期分析结果的前提 在材料研究中 针对所研究的问题有时可以选用不同参数进行综合分析 并用其他方法的研究结果予以补充和佐证 只有合理地采用不同的研究方法 互相补充 才能有效地解决材料科学研究中提出的问题 本课程的特点 重视物理基本概念的描述重视介绍表征材料物理性能的主要参数描述这些物性与材料的成分 组织结构 工艺过程的关系及变化规律 以介绍材料物理性能为主线 把性能 材料和主要测试方法有机地结合起来 本课程的主线 性能的基本概念 物理本质 影响因素 性能指标的工程意义 指标的测试与评价及应用 本课程讲授内容 一 力学性能 8学时 二 电学性能 8学时 三 磁学性能 8学时 四 热学性能 8学时 本课程所选教材 材料物理性能 龙毅主编 中南大学出版社 2009年6月二选教材 材料物理性能 陈騑腵 机械工业出版社 2007年6月材料物理性能 吴其胜主编 华东理工大学出版社 2006年10月参考书目 材料物理性能 田莳编著 北京航空航天出版社 2002年2月 2 19 2020 第一章金属材料的弹性和滞弹性 2 19 2020 第一部分材料的弹性 材料单向静拉伸的力学性能 单向静拉伸试验是一种重要力学性能测试手段 拉伸试验 揭示材料在静载作用下的应力应变关系及常见的3种失效形式 过量弹性变形 塑性变形和断裂 的特点和规律 1 力 伸长曲线和应力 应变曲线 1 1力 伸长曲线 胡克定律 其中 E 弹性模量 单位为Pa EA 杆的抗拉 压 刚度 规定线应变 可得胡克定律的另一种形式 应力 低碳钢的力 伸长曲线 弹性变形阶段 屈服塑性变形 均匀塑性变形 不均匀集中塑性变形 几种典型材料的力 伸长曲线 1为高碳钢2为低合金结构钢3为黄铜4为陶瓷 玻璃类材料5为橡胶类材料6为工程塑料 低碳钢应力 应变曲线分析 弹性极限的物理意义 1 2弹性变形及其性能指标 2 1弹性变形的本质 材料产生弹性变形的本质 概括来说 都是构成材料的原子 离子 或分子自平衡位置产生可逆位置的反映 金属 陶瓷类晶体材料的弹性变形 处于晶格结点的离子在力的作用下在其平衡位置附近产生的微小位移 双原子模型 离子位移的总和在宏观上就表现为材料的变形 根据此模型导出的离子间相互作用力与离子间弹性位移的关系是抛物线的关系 合力曲线最大值Fmax是材料在弹性状态下的理论断裂抗力 实际断裂抗力远远小于理论断裂抗力 1 3弹性模量 在弹性范围内 物体受力的作用发生形变 应力与应变之间呈线性关系 即服从虎克定律 1 弹性模量E 在单向受力状态下E 它反映材料抵抗应变的能力 2 切变模量G 在纯剪受力状态下G 它反映材料抵抗切应变的能力 3 体积模量K 表示材料在三向压缩 流体静压力 下 压强与体积变化率间的关系 在工程中 弹性模量是表征材料对弹性变形的抗力 即材料的刚度 其值越大 则在相同应力下产生的弹性变形就越小 高弹性碳素羽毛球拍 弹性模量的测量方法 工业上多是利用物理方法测定 如悬挂法 弯曲共振频率测量法 压电石英复合振子法及超声脉冲法等 详见田莳主编的 材料物理性能 比弹性模数 定义 指材料的弹性模数与其单位体积质量的比值 陶瓷的比弹性模数一般都比金属材料的大 在金属材料中 大多数金属的比弹性模数相差不大 1 4影响弹性模数的因素 材料的弹性模数是构成材料的离子或分子之间键合强度的主要标志 键合方式 晶体结构 化学成分 微观结构 温度 主要因素 加载方式和速度 键合方式和原子结构 共价键 离子键和金属键都有较高的弹性模数 金属弹性模数的周期变化 变化的实质与元素的原子结构和原子半径有密切关系原子半径越大 E值越小 反之亦然 过渡族元素都有较高的弹性模数 这是由于原子半径较小 且d层电子引起较大的原子间结合力所致 金属弹性模量与周期表的关系 常温下弹性模量是元素序数的周期函数 第三周期 Na Mg Al SiE随着原子序数一起增大 价电子增加 原子半径减小有关同一簇 Be Mg Ga Se Ba随原子序数的增加 E减小 原子半径增大对于过渡族金属不适用 d层电子引起的原子间结合力较大作用力 晶体结构 单晶体材料的弹性模量在不同晶体学方向上呈各向异性 沿原子排列最密的晶向上弹性模数较大 反之则小 多晶体材料的弹性模数为各晶粒的统计平均值 表现为各向同性 伪各向同性 非晶态材料弹性模量为各向同性 举例 铜板材的弹性各向异性 铜的冷轧织构为 110 112 或 112 111 因 112 方向与 111 之间夹角很小 故经冷轧的铜板沿轧向和横向弹性模量最高 与轧向成45 的方向弹性模量最低 再结晶退火织构是 100 001 故沿轧向和横向弹性模量最低 化学成分 材料化学成分的变化将引起原子间距和键合方式的变化 因此也影响材料的弹性模量 合金的弹性模数随组成元素的质量分数 晶体结构和组织状态变化而变化 固溶体合金弹性模数主要取决于溶剂元素的性质和晶体结构 溶质含量对弹性模量的影响 两相合金中 弹性模数变化复杂 与合金成分 第二相性质 数量 尺寸及分布有关 微观结构 金属材料 在合金成分不变的情况下 显微组织对弹性模数的影响较小 晶粒大小对弹性模数无影响 作为金属材料刚度代表的弹性模数 是一个组织不敏感的力学性能指标 冷加工可以降低金属及合金的弹性模数 5 以下 只有形成强的织构才有明显的影响 并出现弹性各项异性 温度 随着温度的变化 材料发生固态相变时 弹性模数将发生显著变化 不同磁场条件下镍的弹性模数随温度变化关系 加载条件和负荷持续时间 加载方式 加载速率和负荷持续时间对金属 陶瓷类材料的弹性模量几乎没有影响 1 5弹性比功 定义 弹性比功是材料在弹性变形过程中吸收变形功的能力 一般用材料弹性变形达到弹性极限时单位体积吸收的弹性变形功表示 弹性比功的表示方法 e为与弹性极限对应的弹性应变 弹性极限 在应力 应变曲线中 试件卸载后能恢复原状的最大应力 几何意义 应力 应变曲线上弹性阶段下的面积 低碳钢拉伸弹性极限及弹性比功 提高材料弹性比功的途径 1 提高材料弹性极限 e 2 降低材料弹性模数 已知 e2 2E 例如 弹簧材料需要有较高的弹性比功 2 19 2020 第二部分材料的滞弹性与内耗 滞弹性的研究背景 弹性极限 屈服极限 弹性性能 E G K e s 材料形变内部微观 非弹性 过程胡克定律适用范围 相对于弹性现象而言 如果受载物体上的应力与应变同步 两者据有单值函数关系且服从胡克定律 这样的物体称为理想线弹性体 实际固体材料的应变产生与消除需要有限时间 滞弹性的物理意义 金属滞弹性 在弹性范围内 应变落后于应力的行为称为滞弹性 材料在形变过程中内部存在着各种微观的 非弹性 过程 在交变载荷的情况下表现为应变对应力的滞后 称为 滞弹性 这种金属的弹性变形与载荷方向和加载时间有关而表现出的非弹性性质也称作弹性不完整性 滞弹性体的弹性模量 滞弹性体的弹性模量 不再为常数 弹性模量分为动弹性模量和静弹性模量两部分 把这两者的相对差值 E E 称为模量亏损 滞弹性很大的金属材料是极少数 多数材料的滞弹性很小 GCr15 高碳铬轴承钢 轴承套圈 钢球1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢 内耗的物理本质 一个自由振动的固体 即使与外界完全隔离 它振动的机械能也会逐渐转化为热能 而使得振动最终停止 如果是强迫振动 则外界必须源源不断地共给固体能量 才能维持振动 内耗或阻尼是由于固体内部因素使得机械能消耗的现象 内耗的研究背景 由于应变的滞后 材料在交变应力的作用下就会出现振动的阻尼现象 由于滞弹性的存在 会产生内耗 内耗 在机械振动过程中由于滞弹性造成的震动能量的损耗 机械能散发为热能的现象 滞弹性 内耗 工程意义 具有良好的阻尼性能 即内耗要大 具有良好的振动性能 即内耗要小 弹性与滞弹性 内耗 的物理本质 弹性是材料的一种物理性能 弹性模量是组织不敏感参量 取决于原子间结合力的强弱 弹性分析研究的是与原子结合力有关的问题 在应力的作用下 材料 滞弹性固体 的弹性变形内存在着非弹性变形 产生内耗 内耗是材料结构敏感性能 研究材料内部的结构 溶质原子的浓度 特别是位错与溶质原子的交互作用等问题 2 19 2020 2 1材料的滞弹性 滞弹性的主要表现形式 理想弹性体变形 是单值性的可逆变形 与 对应 实际金属的弹性变形 是不完整的弹性变形 即在弹性范围内应变落后于应力 这种行为称为滞弹性 滞弹性 当加 卸载速度相对较快时 应变落后于应力的现象 滞弹性分类 弹性后效 弹性滞后 包申格效应 等 大应力 10MPa以上 和低频应力条件下 即静态应用条件下 滞弹性表现为弹性后效 弹性滞后 弹性模量随时间延长而降低以及应力松弛等四方面 小应力 1MPa以下 和高频应力条件下 即动态应用时 滞弹性表现为应力循环中外界能量的损耗 有内耗 振幅对数衰减等 滞弹性的力学模型 弛豫模量 应力弛豫时间 应变弛豫时间 应力对时间变化率 应变对时间变化率 K 体积模量 泊松比 弹性元件模型滞弹性的力学模型 滞弹性有两种表现 快速加载后保持应力不变 应变滞后并逐渐增加 快速加载后保持应变不变 应力逐渐松驰 I 弹性后效 应变弛豫 弹性蠕变 正弹性后效 弹性后效 反弹性后效 弹性后效的物理意义 弹性后效 在弹性范围内快速加载或卸载后 随时间的延长而产生的附加弹性应变 即应变落后于应力的现象 滞弹性应变 随时间增加而产生的附加弹性应变 弹性蠕变ab段和弹性后效cd段都是时间的函数 而瞬时弹性应变oa段和bc段都与时间无关 具有滞弹性的物体不服从胡克定律 无一一对应关系 如果还用胡克定律来描述这种物体的弹性行为 则弹性模量E就不再是常数 是时间的函数 弹性后效 滞弹性 产生原因 产生弹性后效 滞弹性 的原因可能与金属中点缺陷的移动有关 点缺陷在应力场的作用下扩散并产生有序分布 使晶体的晶格尺寸继续改变 或使应力场降低 并且 ToC越高 时间越长 弹性后效 滞弹性 越明显 弹性后效 滞弹性 研究意义 在仪表和精密机械中 选用重要传感元件的材料时 需要考虑弹性后效问题 如长期受载的测力弹簧 薄膜传感件等 如选用的材料弹性后效较明显 会使仪表精度不足甚至无法使用 II 应力弛豫 弛豫模量 未弛豫模量 完全弹性模量 实际弹性材料在应变保持恒定的条件下 应力随时间延长而减小的现象 称之为应力弛豫 也叫应力松弛 应变保持恒定的条件下 应力随时间延长而减小 从瞬时值 0松弛到平衡值 弛豫时间的物理意义 当t t 时 应力与其平衡值的差 t 变为开始偏离值 0 的1 e 反映恒应变条件下 应力弛豫过程进行的速度 III 包申格效应 包申格效应 对于产生少量塑性变形 残余应变约为1 4 的材料 若再同向加载则规定残余伸长应力 弹性极限或屈服强度 升高 若再反向加载则规定残余伸长应力 弹性极限或屈服强度 降低 度量包申格效应的基本定量指标是包申格应变 它是指在给定应力下 正向加载与反向加载两应力 应变曲线之间的应变差 拉伸应力 应变曲线上给定流变应力 包申格应变 包申格效应实例说明 包申格效应的微观机理 包申格效应的研究意义 包申格效应的影响因素 包申格效应的消除方式 采用300 400oC回火 消除第二类内应力 而又不降低强度 冷拉弹簧钢丝卷制弹簧的定型回火 300 400oC 正是为了消除第二类内应力和B E 的一道热处理工序 III 弹性滞后 滞后环的类型 a 单向加载弹性滞后环 b 交变加载弹性滞后环 弹性滞后环 由于应变滞后于应力 使加载曲线与卸载曲线不重合而形成的闭合曲线 称为弹性滞后环 滞后环所包围的面积表示材料在一个应力循环中所吸收的不可逆变形功 2 19 2020 2 1滞弹性引起的内耗 由于应变落后于应力 出现滞弹性 应力 应变曲线形成回线 出现内耗 物体在周期性应力 的作用下振动时 除了产生一个相应的弹性应变以外 还会由于内部的原因而产生一个附加的非弹性应变 从而导致了应变落后于应力 消耗机械能 形成内耗 非弹性应变包括滞弹性应变 非线性滞弹性应变 线性粘弹性应变 瞬时范性应变等 以滞弹性应变为例进行说明 内耗的由来 内耗的由来 理性弹性体 滞弹性体 加载时消耗的变形功大于卸载时释放的变形功 这部分被金属吸收的功 即内耗 内耗的大小可以用回线面积表示 回线面积越大 内耗越大 内耗的研究意义 度量内耗的基本量 能量衰减率 w w w 每周的振动能损耗 表现为回线面积 w 振动一周的最大振动能 振动一周时应力做功 振幅对数衰减率 自由振动的物体 由于内耗损失了振动能 振幅会逐渐衰减 可以把振幅衰减的快慢作为量度内耗大小的一种指标 这就是振幅对数衰减率 它等于相邻两次振幅比值的对数 内耗的几种主要类别 线性滞弹性内耗 表现为只与加载频率有关 如弛豫型内耗 非线性滞弹性内耗 既与频率有关 又与振幅有关 它来源于固体内部缺陷及其相互作用 静滞后型内耗 完全与频率无关而只与振幅有关的内耗 阻尼共振型内耗 形式上类似于线性滞弹性内耗 与频率有关 但内耗峰对温度变化较不敏感 常与位错行为有关 I 滞弹性内耗 II 静滞后型内耗 瞬时范性 静态滞后的产生是由于应力和应变间存在多值函数关系 即在加载时 同一载荷下具有不同的应变值 完全去掉载荷后有永久形变产生 仅当反向加载时才能回复到零应变 静态滞后回线不是线性关系 滞后回线的面积是恒定值 与振动频率无关 内耗与振幅有关 静滞后回线示意图注 与振幅有关 与振动频率无关 静滞后回线示意图注 与振幅有关 与振动频率无关 线性 瞬时性 唯一性 按应力应变关系所遵循的条件 对不同类型的力学行为进行分类 滞弹性及内耗产生的机理 调节过渡 弛豫过程 内耗是材料内部的内耗源在应力作用下的行为的本质反映 滞弹性内耗四要素 内耗源 固体内部的各类点缺陷 线缺陷 面缺陷的运动变化以及它们之间的相互作用 外加应力 内耗峰与应力的频率有关弛豫时间 弛豫时间依赖于温度 不同的内耗源有不同的弛豫时间 激活能 不同的内耗源所需的激活能不同测量温度 实验也证明内耗峰还与温度有关 点阵中原子重新分布引起的内耗 外界应力加入使得原子能量发生变化 分布将重新调整 固体内部各种不对称的微观缺陷 交变应力作用 不可逆运动 内耗 内耗源 性质 与位错有关的内耗 与晶界有关的内耗 磁弹性内耗 热弹性内耗 相变内耗 滞弹性内耗 I 点阵中原子有序排列引起的内耗应力感生有序内耗 在固溶体中 由于原子扩散引起的内耗 I I 体心立方 bcc 晶体中间隙原子引起的内耗 Snoek峰 斯诺克峰 二维正方晶格及其间隙原子 体心立方 bcc 晶格模型如 Fe 间隙原子 bcc晶格中 可以容纳间隙原子的位置在晶格的面心及棱心位置 如蓝色小球所示的位置 I 无应力作用时 应力为零时 1 2 3间隙位置等效 间隙原子将以无规方式占据这些间隙位置 每一种位置都具有间隙原子总数的1 3 II 有应力作用时 施加单向拉应力后 间隙原子倾向于沿拉力方向分布 这种现象称为应力感生有序 间隙原子存在应力感生有序倾向 对于应力产生的应变就有弛豫现象 当晶体在这个方向受到交变应力作用的时候 间隙原子就在这些位置上来回跳动 使应变落后于应力 导致能量损耗 应力感生有序内耗小结 由于间隙原子在受外力作用时存在着应力感生有序的倾向 对应于应力产生的应变就有弛豫现象 当晶体在这个方向上受交变应力作用时间隙原子就在这些位置上来回地跳动 且应变落后于应力 导致能量损耗 交变应力频率很高时 间隙原子来不及跳跃 即不能产生弛豫现象 故不能引起内耗 交变应力频率很低时 这是一种接近静态完全弛豫过程 应力和应变滞后线面积为零 也不会产生内耗 I II Fcc晶体中间隙原子引起的内耗 洛辛峰 过去曾经认为 由于面心立方晶体中的间隙原子引起溶剂点阵的畸变是立方对称的 因而不存在应力感生有序的倾向 但1953年洛辛和芬克尔斯坦在含碳奥氏体不锈钢Cr25Ni20中观察到 葛庭燧等人研究了碳在Crl8Ni8不锈钢 高锰钢 镍铝合金以及纯镍中所引起的内耗表明 间隙原子在面心立方晶体中引起内耗是一个普遍现象 他们用湿氢脱碳和渗碳的方法来改变碳的含量得到碳含量与Q 1峰高成正比的关系 I III 置换原子引起的内耗 甄纳峰 首先在Cu70Zn30合金中发现在400 620Hz处有很明显的内耗峰 后发现在Ag Zn合金中这种内耗峰更明显 在bcc fcc hcp中发现20种合金都有类似的内耗峰 II 与位错有关的内耗 II 1 背底内耗 II K G L理论 强钉弱钉弓出雪崩 III 与晶界有关的内耗 III 1 晶界内耗 III 2 孪晶界面的内耗 IV 1 热弹性内耗 IV 热弹性内耗与磁弹性内耗 IV 2 磁弹性内耗 V 1 形状记忆合金伪弹性引起的内耗 V 伪弹性和相变内耗 V 2 马氏体相变内耗 Fe 17 5 Mn合金正 逆马氏体Ni Ti合金内耗与频率 相变内耗温度关系 高阻尼材料可通过材料自身来消耗振动能从而达到减振和降噪的作用 减振合金分类 内耗 1 复合型减振材料与应用 内耗 2 铁磁型减振材料与应用 内耗 3 位错型减振材料与应用 内耗 4 孪晶型减振材料与应用 2 19 2020 第二章金属的磁学性能 金属磁学性能的研究意义 2 19 2020 第一节磁性的基本量及磁性分类 I 磁化现象和磁性的基本量 磁性的基本量 磁性的基本量 磁性的基本量 磁性的基本量 磁偶极想像为一包含南北极小磁棒由箭头代表 由南指向北 磁场对磁偶极产生一力矩 顺向 II 磁性物质分类 磁性物质分类 磁性物质分类 不同元素的磁化率 关于磁化的几个重要概念 自发磁化 铁磁性物质的自旋磁矩在无外加磁场条件下自发地取向一致的行为 铁磁物质在外磁场作用下的磁化过程是不可逆的 这就是磁滞现象 磁化曲线表征的是铁磁物质在外磁场作用下所具有的磁化规律 又称为技术磁化曲线 III 磁化回线和磁滞回线 磁滞回线是当磁场在正负两个相同数值之间变化时 磁感应强度的变化回线 这个回线的大小随磁场的正负最大值而不同 从饱和磁化状态开始的磁滞回线叫基本磁滞回线 磁化曲线和磁滞回线有两种表示法 一种是磁感应强度B对磁场H的曲线 这是工程技术中常用的表示方法 另一种是磁化强度M对磁场H的曲线 这是磁学中常用的表示方法 随磁化场的增加 磁化强度M开始增加较缓慢 然后迅速地增加 再缓慢地增加 最后当磁场强度大到Hs 磁化至饱和 此时的磁化强度为饱和磁化强度Ms 对应的磁感应强度称为饱和磁感应强度Bs 磁化至饱和后 磁化强度不再随外磁场的增加而增加 由于B 0 H M 故当磁场强度大于Hs时 B受H的影响将继续增大 这种从退磁状态直到饱和前的磁化过程称为技术磁化 从磁化曲线B H上各点与坐标原点连线的斜率可得到各点的磁导率 图中虚线所示 cb 软磁材料是指在较弱的磁场下 易磁化也易退磁的一种铁氧体材料 各种电感元件 如滤波器 变压器及天线的磁性和磁带录音 录像的磁头 硬磁材料是指磁化后不易退磁而能长期保留磁性的一种铁氧体材料 也称为永磁材料或恒磁材料 电讯器件如录音器 电话机及各种仪表的磁铁 矩磁材料具有辨别物理状态的特性 如电子计算机的 1 和 0 两种状态 各种开关和控制系统的 开 和 关 两种状态及逻辑系统的 是 和 否 两种状态等 几乎所有的电子计算机都使用矩磁铁氧体组成高速存贮器 电磁铁在电铃上的应用 钕铁硼永磁体 居里点 19世纪末 著名物理家居里在自己的实验室里发现磁石的一个物理特性 就是当磁石加热到一定温度时 原来的磁性就会消失 后来 人们把这个温度叫 居里点 铁磁物质被磁化后具有很强的磁性 但随着温度的升高 金属点阵热运动的加剧会影响磁畴磁矩的有序排列 当温度达到足以破坏磁畴磁矩的整齐排列时 磁畴被瓦解 平均磁矩变为零 铁磁物质的磁性消失变为顺磁物质 与磁畴相联系的一系列铁磁性质 如高磁导率 磁滞回线 磁致伸缩等 全部消失 相应的铁磁物质的磁导率转化为顺磁物质的磁导率 与铁磁性消失时所对应的温度即为居里点温度 在地球上 岩石在成岩过程中受到地磁场的磁化作用 获得微弱磁性 并且被磁化的岩石的磁场与地磁场是一致的 这就是说 无论地磁场怎样改换方向 只要它的温度不高于 居里点 岩石的磁性是不会改变的 根据这个道理 只要测出岩石的磁性 自然能推测出当时的地磁方向 这就是在地学研究中人们常说的化石磁性 在此基础之上 科学家利用化石磁性的原理 研究地球演化历史的地磁场变化规律 这就是古地磁说 电饭锅就利用了磁性材料的居里点的特性 在电饭锅的底部中央装了一块磁铁和一块居里点为105度的磁性材料 当锅里的水分干了以后 食品的温度将从100度上升 当温度到达大约105度时 由于被磁铁吸住的磁性材料的磁性消失 磁铁就对它失去了吸力 这时磁铁和磁性材料之间的弹簧就会把它们分开 同时带动电源开关被断开 停止加热 2 19 2020 第二节抗磁性和顺磁性 磁化的物理本质 1 原子本征磁矩 原子磁矩 2 抗磁性 抗磁性的物理本质 形成抗磁磁矩示意图 抗磁性的特征 3 顺磁性 顺磁体磁化过程示意图 3 金属的顺磁性和抗磁性 自然界中的抗磁体 自然界中的顺磁体 5 影响金属抗磁性与顺磁性的因素 Cu Pd Ag Pd固溶体的磁化率 2 19 2020 第三节铁磁性的物理本质 1 铁磁性产生的原因 自发磁化理论 交换积分A与a d的关系 铁磁性产生的条件 2 反铁磁性和亚铁磁性 三种磁体磁化率与温度关系及磁矩的排列示意图 反铁磁性 亚铁磁性 材料磁性分类 抗磁性 顺磁性 铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性 2 19 2020 第四节磁晶各向异性和磁晶各向异性能 磁晶各向异性 磁化功示意图 铁 镍 钴沿不同晶向的磁化曲线 Fe 磁化功最小 易磁化轴是方向 磁晶各向异性能 2 19 2020 第五节磁致伸缩和磁弹性能 磁致伸缩和压磁效应 磁致伸缩大小可用磁致伸缩系数表示 线磁致伸缩系数 定义为 l l 式中 l为铁磁体原来的长度 l为磁化引起的长度变化量 0时 表示沿磁场方向的尺寸伸长 称正磁致伸缩 0时 表示沿磁场方向的尺寸缩短 称负磁致伸缩 铁 镍单晶体不同晶向的磁致伸缩系数 Fe 不同晶向上的磁致伸缩系数相差很大 2 19 2020 第六节铁磁体的形状各向异性和退磁能 铁磁体的形状各向异性 退磁场 2 19 2020 第七节磁畴的形成和结构 畴壁的典型特征 畴壁具有交换能 磁晶各向异性能及磁弹性能 畴壁是原子磁矩方向由一个磁畴的方向转到相邻磁畴方向的逐渐转向的一个过渡层 所以原子磁矩逐渐转向臂突然转向的交换能小 到仍然比原子磁矩同向排列的交换能大 只考虑降低畴壁交换能是 畴壁厚度越大越好 但原子磁矩的逐渐转向 使原子磁矩偏离易磁化方向 因而使磁晶各向异性能增加 所以磁晶各向异性能倾向于使磁壁变薄 综合考虑 单位面积上的畴壁能与壁厚的关系如上图所示 畴壁能最小值所对应的壁厚 是平衡状态时畴壁的厚度 由于原子磁矩的逐渐转向 各个方向的伸缩难易不同 因此便产生磁弹性能 由此可见 畴壁的能量高于磁畴内的能量 畸壁能与壁厚的关系 2 磁畴结构及其形成 单畴晶体中磁畴的起因 钴 3 不均匀物质中的磁畴 不均匀性引起的畴结构复杂化 夹杂物或空隙对畴壁移动的影响 畴壁经过非磁性夹杂物时 在夹杂物上会产生附加磁畴降低退磁能 附加畴会连接近旁的畴壁 对畴壁的影响 畴壁经过的夹杂物 近旁的夹杂物 还有内部应力造成的各向异性 4 单畴颗粒 5 磁泡畴 2 19 2020 第八节技术磁化和反磁化过程 1 技术磁化的机制 2 壁移的动力与阻力 畴壁迁移阻力的来源 180 壁的可逆与不可逆迁移图解 a到b是畴壁可逆位移的过程 如果在这个磁化阶段减弱磁场 可以使畴壁退回原位置 即磁化曲线可沿原路线下降 不出现磁致现象 这是因为该磁化过程各位置均为稳定的平衡状态 b到c是畴壁不可逆位移的过程 如在这个阶段减弱磁场 畴壁将不能退回原位置 只能移到d e等位置 因此磁化曲线也不能沿原路线下降 而形成磁滞回线 杂质理论 当材料中包含非磁性和