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第四章材料的磁性能 4 1磁学基本量及磁性分类4 2铁磁性和亚铁磁性材料的特性4 3磁性材料的自发磁化和技术磁化4 4磁性材料的动态特性4 5磁性材料4 6信息存储磁性材料4 7磁性测量与应用 1 精密合金牌号采用阿拉伯数字与汉语拼音字母相结合的方法表示 2 以字母 J 精 字汉语拼音 jing 的第一个字母 与其前面的数字表示精密合金的类别 即 1J 软磁合金4J 膨胀合金2J 变形永磁合金5J 热双金属3J 弹性合金6J 精密电阻合金 3 字母 J 后第一 二位数字表示不同合金牌号 热双金属例外 的序号 序号从01开始 可编到99 精密合金牌号 4 1磁学基本量及磁性分类 4 1 1磁学基本量 1 磁极 一根棒状磁铁 均有两个磁极 N极和S极 磁极之间有相互作用力 同性相斥 异性相吸 当两磁极的强度为m1和m2时 且距离为r时 磁极间的作用力为 m1 m2 wb 韦伯 2 磁距 一环形电流的磁矩定义为 在磁感应强度为B的磁场中 磁矩m所受的力矩为 静磁能 磁矩与外磁场的作用能 一根长为l m 极强为m wb 的棒状磁铁产生的磁矩 方向 由S N极 m方向 右手定则 3 磁化强度M 磁体单位体积中微观磁矩的向量和 M m V A m 设一个宏观磁体由许多具有固有磁矩的原子组成 当原子磁矩紊乱排列时 宏观磁体对外不显示磁性 在外磁场作用下当原子磁矩同向平行排列时 宏观磁体对外显示磁性最强 这种现象称为材料被磁化 4 磁感应强度 磁通密度 磁体中单位面积中通过的磁力线数 单位 T 特斯拉 B 0M 0H 0 M H 自由空间磁场 在物质内部的外磁场 材料由于磁化引起的附加磁场 材料的磁感应强度由两部分叠加而成 5 磁场强度 根据产生磁场的方式 有两种表达式 电流产生的磁场一个每米有N匝线圈 通以电流强度为i A 的无限长螺线管轴线中央的磁场强度 H Ni A M 磁铁在其周围产生的磁场极强为m1的磁极 在距离r处产生的磁场强度是单位极强 m2 1wb 在该处所受到的作用力 磁性材料的磁导率定义为磁感应强度与磁场强度之比 B H 0 真空磁导率 4 10 7H m 绝对磁导率 r 相对磁导率 r 0磁化率定义为磁化强度与磁场强度之比 表示介质在磁场中被磁化的程度 单位体积磁化率 M H摩尔质量磁化率 A V单位质量磁化率 d d 6 磁导率和磁化率 r 1 4 1 2磁性物质分类 根据物质的磁化率 可把物质的磁性大致分为五类 1 抗磁体 磁化率 为甚小的负数 大约在10 6量级 4 1 2磁性物质分类 根据物质的磁化率 可把物质的磁性大致分为五类 2 顺磁体 磁化率 为正值 约为10 3 10 6 在磁场中受到微弱吸引力 正常顺磁体 反常顺磁体 磁化率与温度无关 Li Na K Rb Pt Pd 稀土金属 4 1 2磁性物质分类 根据物质的磁化率 可把物质的磁性大致分为五类 3 铁磁体 位很大的正数 与磁场呈非线性关系 在较弱的磁场下 能产生很大的磁化强度 Fe Co Ni Nd2Fe14B 4 1 2磁性物质分类 根据物质的磁化率 可把物质的磁性大致分为五类 4 1 3原子本征磁矩 顺磁性和抗磁性 1 原子本征磁矩 材料的磁性来源 原子磁矩 原子磁矩 电子轨道磁矩 电子自旋磁矩 原子核磁矩 对于物质中的分子 任一个电子都同时参与环绕原子核的轨道运动和电子本身的自旋 这两种运动都能产生磁效应 电子轨道磁矩 电子绕核运动的角速度L 电子轨道运动角动量的大小 电子轨道磁矩在外磁场方向上的投影满足量子化条件 B 波尔磁子 9 273 10 24J T 电子自旋磁矩 mSZ B 符号取决于电子自旋方向 2 抗磁性 抗磁性来源于电子轨道运动 所有物质均有抗磁性 凡是电子壳层被填满了的物质均属于抗磁性物质 惰性气体 离子型固体 NaClNa Cl 共价键 CSiGePS大部分有机物部分金属 3 顺磁性 来源于原子的固有磁矩 产生顺磁性的条件是原子的固有磁矩不为零 1 具有奇数个电子的原子或点缺陷 2 内壳层未被填满的原子或离子 例如过渡族金属和稀土族金属 大多数物质属于顺磁性物质 例如 室温下的稀土金属居里点以上Fe Co Ni Li Na K Ti Al 4 2铁磁性和亚铁磁性材料的特性 4 2 1磁化曲线 1 B随H呈线性地缓慢增长 可逆畴壁移动过程 2 B随H急剧增长 不可逆畴壁移动过程的巴克豪森 Barkhausen 跳跃 3 B的增长趋于缓慢 磁畴的磁化矢量已转到最接近H方向 B的增长主要靠可逆转动过程来实现 4 磁化曲线极平缓地趋近于水平线而达到饱和状态 4 2铁磁性和亚铁磁性材料的特性 4 2 1磁化曲线 BsMs 相当于磁化曲线起始部分的斜率 技术上规定在0 1 0 001Oe磁场的磁导率为 i 软磁材料作为磁传感时的重要技术参量 起始磁导率 磁化曲线中斜率最大的值 软磁材料做为磁芯部分的重要技术参量 最大磁导率 m 4 2 2磁滞回线 磁感应强度滞后于磁场强度变化的性质称为磁滞性 如图为磁性物质的滞回曲线 剩余磁感应强度Br 矫顽磁力Hc 退磁曲线 磁滞损耗 4 2 3磁晶各向异性和各向异性能 单晶体的不同方向上 磁性能是不同的 磁化功 磁晶各向异性常数 对于立方晶体 设 分别是磁化强度与三个晶轴方向所成夹角的方向余弦 即 铁在20 时的值约为4 2 104J m3 钴的值为4 1 105J m3 镍的值为 0 34 104J m3 K1为晶体各向异性能常数 4 2 4铁磁体的形状各向异性和退磁能 铁磁体在磁场中的能量为静磁能 包括 铁磁体与外磁场的相互作用能 铁磁体在自身退磁场中的能量 称为退磁能 铁磁体的形状不同 其退磁能不同 导致磁化形为不同 称为形状各向异性 当铁磁体表面出现磁极后 除在铁磁周围空间产生磁场外 在铁磁体内部也产生磁场 这一磁场与铁磁体的磁化方向相反 起到退磁作用 称为退磁场 N 退磁因子与铁磁体形状有关 退磁场与磁化强度成正比 退磁场与铁磁体形状有关 负号表示退磁场方向与磁化强度相反 铁磁体与自身退磁场的相互作用能称为退磁场能 4 2 5磁致伸缩与磁弹性能 磁致伸缩 铁磁体在磁场中磁化 因其形状和尺寸变化 磁致伸缩系数 饱和磁致伸缩系数 正磁致伸缩负磁致伸缩 磁致伸缩系数 s10 6 10 3之间 单晶体磁致伸缩具有各向异性 立方晶体平均磁致伸缩系数 非取向多晶体的磁致伸缩等于不同取向晶粒的磁致伸缩的平均值 体积磁致伸缩系数 设铁磁本原来的体积为Vo 磁化后体积为V 体积的相对变化为 体积磁致伸缩系数 除因瓦合金以外 一般铁磁体的 在10 8 10 10 很小 可忽略 磁化场小于饱和磁化场Hs时 只有线磁致伸缩 磁弹性能 物体在磁化时要伸长 收缩 若受到限制 则在物体内部产生压应力 拉应力 这样物体内部将产生弹性能 称为磁弹性能 对于多晶体 单位体积内的磁弹性能 4 3磁性材料的自发磁化与技术磁化 1907年 法国 外斯 铁磁性假说 铁磁物质内部存在很强的 分子场 在 分子场 的作用下 原子磁矩趋向于平行排列 即自发磁化至饱和 称为自发磁化 铁磁体自发磁化分成若干个小区域 磁畴 由于各区域磁化方向不一致 其磁性彼此相互抵消 所以大块磁体对外不显示磁性 4 3 1自发磁化理论 铁磁性材料的磁性是自发产生的 磁化过程只不过是将物质本身的磁性显示出来 而不是由外界向物质提供磁性的过程 1 铁磁性产生的原因 1 原子内部有未填满的电子壳层 2 交换积分A为正 原子之间相互接近形成分子时 电子云相互重叠 产生相互作用 对于过渡族元素 原子的3d状态与s态能量相差不大 它们的电子云相互重叠 使s d态电子再分配 这种作用便产生一种交换能Eex 由量子力学得到 A 交换积分常数 相邻原子磁矩夹角 A 0 相邻原子磁矩排列相同 从而实现自发磁化 A 0 相邻原子磁矩排列紊乱 为顺磁 A 0 相邻原子磁矩反向排列 A 0 A 0 A 0 只有当原子核之间的距离Rab 点阵常数 与参加交换作用的电子距核的距离 电子壳层半径 r之比大于3时 A为正 交换积分常数的影响因素 电子运动状态的波函数 原子核之间的距离 A为负值的元素可通过合金化 改变点阵常数 使A 0 温度高于居里温度时 完全破坏了原子磁矩的规则取向 铁磁性变为顺磁性 温度对铁磁性的影响 自发磁化强度降低 当温度升高时原子间距加大 降低了交换作用 热运动不断破坏原子磁矩的规则取向 2 反铁磁性与亚铁磁性 反铁磁性 原子磁矩反向平行排列是能量最低 相邻原子磁矩相等 由于原子磁矩反向平行排列自发磁化强度等于零 反铁磁性物质磁化率与温度关系 以氧化锰 MnO 为例 它是离子型陶瓷材料 由Mn2 和O2 离子组成 O2 离子没有净磁矩 因为其电子的自旋磁矩和轨道磁矩全都对消了 Mn2 离子有未成对3d电子贡献的净磁矩 在MnO晶体结构中 相邻Mn2 离子的磁矩都成反向平行排列 结果磁矩相互对消 整个固体材料的总磁矩为零 亚铁磁性 由磁矩大小不同的两种离子或原子构成 向同磁性的离子磁矩平行排列 不同磁性的离子磁矩反向平行排列 由于两种磁矩不等 反向平行的磁矩不能相互抵消 表现为宏观磁矩 这就是亚铁磁性 具有亚铁磁性的物质大部分是金属氧化物 以立方铁氧体为例说明亚铁磁性的本质 立方铁氧体的化学式MFe2O4 其中的M为某种金属元素磁铁矿Fe3O4就是一种亚铁磁体Fe3O4可以写成Fe2 O2 Fe3 2 O2 3其中二价铁离子和三价铁离子的比例为1 2每个Fe2 和Fe3 都具有净自旋磁矩 分别为4和5O2 是无磁矩的 铁磁性 反铁磁性 亚铁磁性 3 磁畴 所谓磁畴 是指磁性材料内部的一个个小区域 每个区域内包含大量原子 这些原子的磁矩都象一个个小磁铁那样整齐排列 但相邻的不同区域之间原子磁矩排列的方向不同 自发磁化是以小区域磁畴存在的 各磁畴的磁化方向不同 外斯假说 宏观物体一般总是具有很多磁畴 这样 磁畴的磁矩方向各不相同 结果相互抵消 矢量和为零 整个物体的磁矩为零 它也就不能吸引其它磁性材料 也就是说磁性材料在正常情况下并不对外显示磁性 只有当磁性材料被磁化以后 它才能对外显示出磁性 各个磁畴之间的交界面称为磁畴壁 布洛赫 Bloch 畴壁 在整个磁畴壁中 原子磁矩均平行于畴壁平面 这种畴壁叫布洛赫壁 磁畴壁是一个有一定厚度的过渡层 在过渡层中磁矩方向逐渐改变 畴壁内部能量高于畴内的能量 畴壁结构受交换能 各向异性能 磁弹性能 磁畴壁能 退磁能的影响 减小退磁能是分畴的基本动力 交换能倾向于产生单畴结构 产生单畴之后 其端面处产生磁极 从而增加退磁场能 磁畴的形成 磁性体中自由能的影响 交换能与退磁场能两个不同的竞争机制 使单畴分割成小磁畴 原子磁矩之间有一定相互取向 即交换能相对于磁畴内部升高 可以证明 逐渐转向比突然转向的交换能小 所以 畴壁的厚度越大 可降低壁的交换能 原子磁矩的逐渐转向 使原子磁矩偏离易磁化方向 导致磁晶各向异性能增加 所以 磁晶各向异性能倾向于使畴壁变薄 夹杂处磁通的连续性遭到破坏 出现磁极和退磁场能 为减少退磁场能 往往在夹杂物附近出现附加畴 出现分畴现象 组织不均匀性的影响 一般不均匀性不仅导致进一步分畴 且畴壁切割不均匀区域 这是因为 夹杂物 应力 空洞 新的畴壁切割不均匀区域 可以降低畴壁的有效面积 4 3 2技术磁化理论 技术磁化过程就是外加磁场对磁畴的作用过程 也就是外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外加磁场方向的过程 技术磁化的两种方式 一是磁畴壁的迁移 二是磁畴的旋转 磁化曲线和磁滞回线是技术磁化的结果 4 3 2 1技术磁化本质 第I部分 0A 可逆磁化过程 磁化曲线是线性的 没有剩磁和磁滞 对应可逆壁移和磁矩转动 第II部分 AB 不可逆磁化阶段 出现剩磁和磁滞 对应不可逆壁移和磁矩转动 第 部分 BC段 磁畴中磁化强度矢量的转动过程 对应磁矩不可逆转动 4 3 2 2影响合金铁磁性和亚铁磁性的因素 居里温度 当温度高于某临界温度时 材料从铁磁性转变为顺磁性 这一温度称为居里温度 1 温度 铁磁性 补偿温度 2 加工硬化 加工硬化 点阵扭曲 晶粒破碎 内应力增加 不利于磁化和去磁过程 戈斯 Goss 织构 在冷轧单取向硅钢带中 晶粒整齐一致地排列成高斯 GOSS 织构 如图3 16示意 晶体的 110 面与轧制平面平行 易磁化的 001 轴在轧制方向上 垂直于轧制方向的是难磁化的 110 轴 最难磁化的 111 轴与轧制方向成54 79角 3 合金元素量的影响 1J22Co49 51 V1 4 1 8 Bs 2 2T Ni78 坡莫合金 Ni30 MS Fe3C含量增加导致MS下降 同一含碳量 残余奥氏体导致淬火态的Ms低于退火态 HC 随含碳量增加而增加 与Fe3C含量有关 而且与组织形态有关 淬火态具有较高内应力 因而具有较高HC 4 4磁性材料的动态特性 4 4 1交流磁化过程与交流回线 交流磁化曲线Bm Hm曲线 极限交流回线 动态磁滞回线特点 1 交流回线形状除与磁场强度有关外 还与磁场变化的频率f和波形有关 2 在一定频率下 交流幅值磁场强度逐渐减少时 交流回线逐渐趋于椭圆形状 3 当频率升高时 呈现椭圆回线的磁场强度的范围会扩大 且各磁场强度回线下的矩形比Bra Bmt会升高 损耗 软磁材料磁化一周总的能量损耗W 由涡流损耗 磁滞损耗Wh和剩余损耗Wr三部分组成 通常以每公斤材料损耗的功率表示 即 W We Wh WrWe 在交变磁化条件下 材料垂直于磁场的平面内产生的涡流引起发热产生的损耗 循环磁化一周的涡流损耗与材料的电阻率 厚度D 磁感变化幅度Bm关系如下 We D2Bm2 Wh 在循环磁化条件下 材料每循环磁化一周所消耗的能量 它也以热的形式表现出来 其大小与磁滞回线的面积呈正比 Wr 从总损耗中扣除涡流损耗和磁滞损耗所剩的部分 4 4 2磁损耗 4 5磁性材料 按矫顽力分类 软磁材料 半硬磁材料 硬 永 磁材料 Hc 100A m 1 25Oe Hc 100 1000A m 1 25 12 5Oe Hc 1000A m 12 5Oe 按用途分类 铁芯材料 磁记录材料 磁头材料 磁致伸缩材料 磁屏蔽材料 变压器 继电器 录音机 通讯仪器 电器 磁带 磁盘 传感器 磁性材料分类 4 5 1软磁材料 用途 发电机 电动机 变压器 电磁铁 各类继电器与电感 电抗器的铁心 磁头与磁记录介质 计算机磁心等 要求 高的饱和磁感应强度 高的最大磁导率 高的居里温度和低的损耗 分类 高磁饱和材料 中磁饱和中导磁材料 高导磁材料 高硬度 高电阻 高导磁材料 矩磁材料 恒磁导率材料 磁温度补偿材料 磁致伸缩材料 软磁材料特点具有较高的磁导率和较高的饱和磁感应强度 较小的矫顽力 矫顽力很小 即磁场的方向和大小发生变化时磁畴壁很容易运动 和较低磁滞损耗 磁滞回线很窄 在磁场作用下非常容易磁化 取消磁场后很容易退磁化 象软铁 坡莫合金 硒钢片 铁铝合金 铁镍合金等 由于软磁材料磁滞损耗小 适合用在交变磁场中 如变压器铁芯 继电器 电动机转子 定子都是用软件磁性材料制成 组织结构与性能的关系 材料均匀性对矫顽力 磁导率 损耗的影响 各向异性对初始磁导率的影响 采用高纯原料 4 Mo 79 Ni 17 Fe 1J79 非晶合金 4 5 2硬磁材料 分类 强磁性来源 金属永磁 铁氧体永磁 制造工艺 铸造永磁可加工永磁烧结永磁粘结永磁 磁硬化机制 淬火硬化时效析出硬化有序硬化单畴微粉 化学成分 碳钢 钢 Co钢 Cr钢 Mn钢Fe Co钢Fe Co MoFe Co WFe Co NiRCo5R2Co17Nd Fe B 磁铁在气隙空间所建立的磁能量密度 永磁体均在开路状态下使用 作为磁场源或动作源 主要作用是在磁铁的两磁极空间 或称空气隙 产生磁场Hg Hg BdHdVd 0Vg 1 2式中Vd Bd和Hd分别是磁铁的体积 磁感强度和磁场强度 Vg Hg是气隙的体积和磁场强度 磁场强度 Hg 除与磁体的体积及气隙体积有关外 主要取决于磁体的磁能积 BH 最大磁能积 BH max 退磁曲线上磁能积最大的一点 工程应用中通常将 BH max称为磁能积 磁能积 BH 对通常的永磁体的应用而言 Hg越大越好 因此在设计磁铁时 应使其工作点在图中的D点附近 同时 BH max越大 Hg也越大 BH max越高 所需要的磁体体积就越小 BH max的大小取决于磁感矫顽力Hc 剩磁Br和隆起系数 即 BH max Br HCB 硬磁材料特点 具有较大的矫顽力 典型值Hc 104 106A m 磁滞回线较粗 具有较高的最大磁能积 BH max 剩磁很大 这种材料充磁后不易退磁 适合做永久磁铁 4 5 2 2稀土永磁合金 稀土永磁合金是稀土元素和3d族元素组成的金属间化合物 它具有大的磁晶各向异性常数 高饱和磁化强度和居里温度 二十世纪八十年代称为第三代稀土永磁材料 稀土永磁合金 Re Co永磁稀土Co永磁 铁基稀土永磁型Nd2Fe14B合金为代表的Re Fe B系永磁材料 1 5型Re Co磁体SmCo5单相与多相合金 二十世纪六十年代 第一代稀土永磁 2 17型Re Co磁体Sm2Co17基合金 二十世纪七十年代 第二代稀土永磁 各类稀土永磁材料的性能比较 1990年 Coey等首先利用气固反应在Sm2Fe17化合物中引入N原子 成功开发了Sm2Fe17Nx永磁材料 从而推动RE2Fe17Nx M C N x 2 3 系永磁材料的研究与开发 Sm2Fe17Nx合金被称为第四代永磁材料 由