材料物理性能基础知识点

1 基础知识点基础知识点 一 基本概念 一 基本概念 1 摩尔热容 使 摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下 温度升高 1K 所需要的热量称 为摩尔热容 它反映材料从周围环境吸收热量的能力 2 比热容 质量为 1kg 的物质在没有相变和化学反应的条件下 温度升高 1K 所需要的热量 称为比热容 它反映材料从周围环境吸收热量的能力 3 比容 单位质量 即 1kg 物质 的体积 即密度的倒数 m3 kg 4 格波 由于晶体中的原子间存在着很强的相互作用 因此晶格中一个质点的微振动会引起 临近质点随之振动 因相邻质点间的振动存在着一定的位相差 故晶格振动会在晶体中以 弹性波的形式传播 而形成 格波 5 声子 Phonon 声子是晶体中晶格集体激发的准粒子 就是晶格振动中的简谐振子的能 量量子 6 德拜特征温度 德拜模型认为 晶体对热容的贡献主要是低频弹性波的振动 声频支的频率 具有 0 max 分布 其中 最大频率所对应的温度即为德拜温度 D 即 D max k 7 示差热分析法 Differential Thermal Analysis DTA 是在测定热分析曲线 即加热温度 T 与加热时间 t 的关系曲线 的同时 利用示差热电偶测定加热 或冷却 过程中待测试 样和标准试样的温度差随温度或时间变化的关系曲线 T T t 从而对材料组织结构进 行分析的一种技术 8 示差扫描量热法 Differential Scanning Calorimetry DSC 用示差方法测量加热或冷却过 程中 将试样和标准样的温度差保持为零时 所需要补充的热量与温度或时间的关系 9 热稳定性 抗热振性 材料承受温度的急剧变化 热冲击 而不致破坏的能力 10 塞贝克效应 当两种不同的导体组成一个闭合回路时 若在两接头处存在温度差则回路中 将有电势及电流产生 这种现象称为塞贝克效应 11 玻尔帖效应 当有电流通过两个不同导体组成的回路时 除产生不可逆的焦耳热外 还要 在两接头处出现吸热或放出热量 Q 的现象 12 迈斯纳效应 若在常温下将超导体先放入磁场内 则有磁力线穿过超导体 然后再将超导 体冷却至 Tc 以下 发现磁产从超导体内被排出 即超导体内无磁场 B 0 即超导体具有 完全的抗磁性 13 铁电体 具有电畴结构和电滞回线的晶体 14 铁电性 具在一定温度范围内具有自发极化 且自发极化的方向可因外电场的作用而反 向 晶体的这种特性称为铁电性 15 自发极化 在没有外电场作用时 晶体中存在着由于电偶极子的有序排列而产生的极化 16 压电效应 在某些晶体 主要是离子晶体 的一定方向施加机械力作用时 晶体的两端表 面出现符号相反的束缚电荷 且束缚电荷的密度与施加的外力大小成正比 这种由机械效 应转换成电效应的现象称为压电效应 17 逆压电效应 将具有压电效应的电介质置于外电场中 由于外电场的作用引起其内部正负 2 电荷中心位移 从而导致电介质发生形变 形变与所加电场强度成正比 这种由电效应 转换成机械效应的过程称为逆压电效应 18 介质损耗 由于导电或交变场中极化弛豫过程在电介质中引起的能量损耗 由电能转变 为其它形式的能 如热 光能等 统称为介质损耗 19 光生伏特效应 光照射引起 PN 结两端产生电动势的效应 当光照射到 PN 结结区时 光 照产生的电子 空穴对在结电场作用下 电子推向 N 区 空穴推向 P 区 电子在 N 区积 累使 N 区侧带负电 空穴在 P 区积累使 P 区侧带正电 从而建立一个与原内建电位差相 反的电位差 称为光生电位差 20 磁化强度 单位体积的总磁矩 表征物质的磁化状态 21 磁畴 在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域 22 磁致伸缩效应 铁磁体在磁场中被磁化时 其形状和尺寸都发生变化的现象 23 退磁场 当铁磁体磁化出现磁极后 这时在铁磁体内部由于磁极作用而产生一个与外磁化 场反向的磁场 因它起到减弱外磁场的作用 故称为退磁场 24 技术磁化 在外磁场的作用下 铁磁体从完全退磁状态磁化到饱和的内部变化过程 25 磁导率 当外磁场 H 增加时 磁感应强度 B 增加的速率叫磁导率 用 表示 即 B H 表示磁性材料传导和通过磁力线的能力 单位为亨利 米 m 1 26 内耗 固体材料对振动能量的损耗称为内耗 它代表材料对振动的阻尼能力 27 滞弹性 或驰豫 在弹性范围内出现的非弹性现象 如弹性蠕变和弹性后效 28 滞弹性内耗 由滞弹性产生的内耗 29 弹性模量 在弹性范围内 引起物体单位变形所需要的应力大小 即材料所受应力 与应 变 之间的线性比例系数 E 其中称为弹性模量 它表示材料弹性变形的难易程度 二 基本理论 含微观机理 二 基本理论 含微观机理 热学热学 杜杜隆隆 珀珀替替定定律律 爱因斯坦模型 德拜的比热模型爱因斯坦模型 德拜的比热模型 电学电学 1 量子自由电子理论量子自由电子理论 2 能带理论能带理论 3 离子导电机制离子导电机制 磁学磁学 1 铁磁金属的自发磁化理论 铁磁金属的自发磁化理论 2 矫顽力理论 应力理论 杂质理论 矫顽力理论 应力理论 杂质理论 热膨胀 微观机理热膨胀 微观机理 弹性与内耗弹性与内耗 1 弹性理论 滞弹性内耗机制 驰豫理论的基本思想 弹性理论 滞弹性内耗机制 驰豫理论的基本思想 三 基本规律 含影响因素 三 基本规律 含影响因素 热学 热容的实验规律 影响热容的因素及规律 温度 组织转变 结构相变 合金成分等 热学 热容的实验规律 影响热容的因素及规律 温度 组织转变 结构相变 合金成分等 电学 导体 半导体 绝缘体的导电性随温度的变化规律 影响导电性的因素电学 导体 半导体 绝缘体的导电性随温度的变化规律 影响导电性的因素 磁学 曲线 磁化规律 影响铁磁性的因素 组织敏感参量和组织不敏感参量 磁学 曲线 磁化规律 影响铁磁性的因素 组织敏感参量和组织不敏感参量 热膨胀 热膨胀的实验规律 常见材料 如钢组织 的膨胀规律热膨胀 热膨胀的实验规律 常见材料 如钢组织 的膨胀规律 弹性与内耗 内耗的实验测定 斯诺克内耗实验弹性与内耗 内耗的实验测定 斯诺克内耗实验 四 实验测量方法与原理四 实验测量方法与原理 3 热学 热容的测定及热分析方法热学 热容的测定及热分析方法 磁学 磁性的测量方法及原理 如矫顽力等 磁学 磁性的测量方法及原理 如矫顽力等 热膨胀 热膨胀的测量方法热膨胀 热膨胀的测量方法 弹性与内耗 弹性模量及内耗的测量原理 碳在弹性与内耗 弹性模量及内耗的测量原理 碳在 FeFe 中的扩散系数和扩散激活能的测定 中的扩散系数和扩散激活能的测定 内容简介内容简介 第一章第一章 材料的热性能材料的热性能 由于材料和制品往往要应用于不同的温度环境中 很多使用场合还对它们的热性能有着 特定的要求 因此热学性能也是材料重要的基本性质之一 固体材料的一些热性能如比热 热膨胀 热传导等都直接与晶格振动有关 因此我们首 先介绍热力学与统计力学一些概念和晶格振动的有关内容 1 材料的热容材料的热容 热容的概念热容的概念 热容的定义 热容的定义 物体在温度升高 1K 时所吸收的热量称作该物体的热容 摩尔热容 摩尔热容 使 摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下 温度升高 1K 所需要的能量 它反 映材料从周围环境吸收热量的能力 比热容比热容 质量为 1kg 的物质在没有相变和化学反应的条件下 温度升高 1K 所需要的热量称 为比热容 它反映材料从周围环境吸收热量的能力 比容 比容 单位质量 即 1kg 物质 的体积 即密度的倒数 m3 kg 物体的热容还与它的热过程性质有关 假如加热过程是恒压条件下进行的 所测定的热容称 为恒压热容 CP 假如加热过程是在保持物体容积不变的条件下进行的 则所测定的热容称 为恒容热容 CV 由于恒压加热过程中 物体除温度升高外 还要对外界作功 膨胀功 所以 每提高 1K 温度需要吸收更多的热量 即 CP CV 1 1 晶态固体热容的经验定律和经典理论晶态固体热容的经验定律和经典理论 晶体的热容 元素的热容定律 杜隆 珀替定律 恒压下元素的原子热容等于 25J K mol 实际上大部分元素的原子热容都接近25 J K mol 特别在高温时符合得更 好 根据晶格振动理论 一个摩尔固体中有N 个原子 总能量为 E 3NkT 3RT 式中 N 阿佛加德罗常数 T 绝对温度 K k 波尔茨曼常数 R 8 314 J k mol 气体普适常数 按热容的定义 有 Cv dE dT v 3NkB 3R 24 91 J mol K 1 2 晶态固体热容的量子理论晶态固体热容的量子理论 1 2 1 爱因斯坦模型爱因斯坦模型 爱因斯坦提出的假设是 晶体中所有原子都以相同的频率振动 振动的能量是量子化的 且 每个振子都是独立的振子 4 当当 T E 时时 kT Nkf e e kT Nk T E C e kT kT v v 3 1 3 2 2 3R 这就是杜隆 珀替定律的形式 Nk T e T NTc E T E v E 33 2 2 当 T 趋于零时 CV逐渐减小 当 T 0 时 CV 0 这都是爱因斯坦模型与实验相符之处 但 是在低温下 当当 T D CV 3R 这即是杜隆 珀替定律 当温度很低时 即 T 107 选用兆欧表 粗测 冲击检流计 精测 中阻测量 R 102 106 用万用表 欧姆表 单电桥法 精测 半导体用直流四探针法 金属及合金电阻 R 10 6 102 双电桥或电位差计 重点掌握金属导体 半导体 及绝缘体的测量方法 测量原理 含电路图 测量步骤及计算 公式 8 电阻分析的应用 碳钢的回火 Al Cu 合金的时效 Cu3Au 合金的有序 无序转化 测定固溶体溶解度曲线 9 热电性能热电性能 三个基本热电效应三个基本热电效应 塞贝克效应 1821 年发现 珀耳帖效应 1834 年发现 汤姆逊效应 1854 年发现 14 在珀耳帖效应中 如果电流方向与接触电势同向时 接触端则放热 如果电流方向与接触端 电势反向时则吸热 在汤姆逊效应中 如果电流方向与温差电势方向相同时 则有热流流出 导体 如果电流方向与温差电势方向相反时 则有热流流入导体 影响热电势的因素 合金元素 温度 组织转变 有序影响热电势的因素 合金元素 温度 组织转变 有序 无序转变 钢的含碳量及热处理无序转变 钢的含碳量及热处理 的影响 的影响 热电势的测量热电势的测量 热电性分析的应用热电性分析的应用 热电子效应热电子效应 10 压电性与铁电性压电性与铁电性 正压电效应 正压电效应 在某些晶体 主要是离子晶体 的一定方向施加机械力作用时 晶体的两端表 面出现符号相反的束缚电荷 且束缚电荷的密度与施加的外力大小成正比 这种由机械效应 转换成电效应的现象称为压电效应 逆压电效应 逆压电效应 将具有压电效应的电介质置于外电场中 由于外电场的作用引起其内部正负电 荷中心位移 从而导致电介质发生形变 形变与所加电场强度成正比 这种由电效应转换成 机械效应的过程称为逆压电效应 晶体的介电性 电场作用引起电介质产生极化的现象晶体的介电性 电场作用引起电介质产生极化的现象 电介质的极化强度与施加电场呈正比 电介质的极化强度与施加电场呈正比 P o eE 铁电性 在一定温度范围内具有自发极化 在外电场作用下 自发极化能重新取向 电位移铁电性 在一定温度范围内具有自发极化 在外电场作用下 自发极化能重新取向 电位移 矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征 矢量与电场强度间的关系呈电滞回线特征 具有自发极化的晶体 具有自发极化的晶体 铁电体 具有电畴结构和电滞回线的晶体 11 热释电效应 热释电效应 12 光电性 磁电性 光电性 磁电性 一一 外光电效应外光电效应 在光线作用下 物体内电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应 向外发射的 电子叫做光电子 基于外光电效应的光电器件有光电管 光电倍增管等 光电效应能否产生 取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子逸出功 这意味着每一 种物质都有一个对应的光频阀值 称为红限频率 对应的光波长称为临界波长 f 光线 f 红限 微弱的光线即可导致电子发射 习题习题 1 光电管的光电子发射面受到 2537 的光照射 所放出的电子最大能量为 2 5 eV 试求材料的逸出功 注 h 6 626 10 34 J s c 3 108 m s q 1 6 10 19 库仑 Ehc 二二 内光电效应内光电效应 当光照射在物体上 使物体的电阻率 发生变化 或产生光生电动势的现象叫做内光电 15 效应 它多发生于半导体内 根据工作原理的不同 内光电效应分为光电导效应和光生伏特 效应两类 1 光电导效应 在光线作用下 电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态 而引起材料电导率的变 化 这种现象被称为光电导效应 基于这种效应的光电器件有光敏电阻 过程 当光照射到半导体材料上时 价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击 并使其由价带越过禁带跃入导带 使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加 从而使 电导率变大 本征吸收本征吸收 半导体吸收光子的能量使价带中的电子激发到导带 在价带中留下空穴 产生等量的电子与空穴 这种吸收过程叫本征吸收 产生本征吸收的条件 入射光子的能量 h 至少要等于材料的禁带宽度 Eg 即 h Eg 从而有 0 Eg h 0 hc Eg 1 24 m eV Eg h 普朗克常数 c 光速 0 材料的频率阈值 0 材料的波长阈值 习题习题 2 已知 Ge 和 Si 的禁带宽度分别为 0 72 eV 和 1 1 eV 试求光照下本证 Ge 和 Si 发生光 电效应时所需光的最小波长 习题习题 3 某功函数为 2 5 eV 的金属表面受到光照射 1 这个面吸收红光 红 760 nm 或 紫光 紫 380 nm 时 能发出光电子吗 2 用波长为 185 nm 的紫外光照射时 从表 面放出的光电子能量是多少电子伏特 eV 2 光生伏特效应光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管 三极管 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管 三极管 改错 改错 1 当光照射在 PN 结上时 所产生的光生电位差与 PN 结原内建电位差相同 答 错 当光照射在 PN 结上时 所产生的光生电位差与 PN 结原内建电位差相同 反 第三章第三章 材料的磁学性能材料的磁学性能 一 基本参量 分子电流理论 磁荷 等效 理论 相互关系 磁矩 磁偶极矩 SIPm lmjm mm Pj 0 磁化强度 磁极化强度 V p M m V j J m m MJ 0 磁场强度 H 磁感应强度 B 0 MHB 磁化率 M H 磁导率 B H 1 0 二 基本关系 16 mm Pj 0 MJ 0 0 MHB 1 0 三 单位换算 SI CGS 0 MHB MHB 4 0 B T H A m M A m B G Gauss H Oe M emu cm3 特斯拉 或 Wb m2 B 1T 104 G H 1 103 A m 4 Oe M 1 103 A m emu cm3 四 常见铁磁性材料的基本磁性参数 饱和磁化强度 Ms 饱和磁极化强度 Js 饱和磁感应强度 Bs 注 本表数值取自注 本表数值取自 材料科学导论材料科学导论 2002 p278 Ms kA m Js 0Ms T Tc K 0 K RT 0 K RT Fe 1740 1700 2 19 2 14 1043 Co 1430 1400 1 8 1 76 1395 Ni 510 487 0 64 0 61 631 17 Gd 2010 2 53 293 Dy 2920 3 67 88 磁晶各向异性常数 Co Ku1 410 kJ m3 K u2 100 143 kJ m3 Fe K1 42 48 kJ m3 K2 12 15 kJ m3 Ni K1 3 5 4 kJ m3 K2 2 5 5 kJ m3 SmCo5 Ku1 15500 kJ m3 Nd2Fe14B K1 5000 kJ m3 K2 660 kJ m3 例 1 牌号为 1J46 的冷轧铁镍软磁薄带的饱和磁化强度为 Ms 11 9 105 A m 1 则饱和磁极 化强度 Js 为 T 特斯拉 沿薄膜法向的退磁场 Hd为 A m 1 最大矫顽力 Hc 20 A m 相当于 Hc Oe 奥斯特 注 0 4 10 7 H m 1 3 1 磁矩和磁化强度磁矩和磁化强度 3 1 1 磁矩磁矩 1 定义 磁矩是表示磁体本质的一个物理量 任何一个封闭的电流都具有磁矩 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 I S 2 原子磁矩 物质是原子核和电子的集合体 要理解物质的磁性起源 就要考虑原子具有的磁矩 现 在我们可以从以下三方面来分析原子中的磁矩 电子轨道运动产生的磁矩 l l l 1 1 2 B 电子自旋产生的磁矩 s S S 1 1 2 B 原子核的磁矩 原子核的磁矩 原子核的磁矩 3 2 物质磁性的分类物质磁性的分类 弱磁性弱磁性 1 抗磁性 抗磁性 2 顺磁性 顺磁性 3 反铁磁性 反铁磁性 强磁性强磁性 1 铁磁体 铁磁体 2 亚铁磁体 与铁磁体相似 但亚铁磁体 与铁磁体相似 但 值较小 如磁铁矿 值较小 如磁铁矿 Fe3O4 顺磁性顺磁性 定义 当材料被磁化后 磁化矢量与外加磁场的方向相同时 固体表现为顺磁性 顺磁性物质的磁化率一般很小 室温下约为 10 3 10 6 数量级 原子内部存在固有磁矩 离子有未填满的电子壳层 如过渡元素 稀土元素 3d 金属 Ti V 4d 金属铌 Nb 锆 Zr 钼 Mo 钯 Pd 5d 金属 Hf Ta W 铂 Pt 自由电子的顺磁性大于离子的抗磁性 如 碱金属和碱土金属离子虽然是填满的壳层 但 Li Na K Mg Al 是顺磁性金属 顺磁性物质的磁化率与温度 的关系服从居里 外 斯定律 抗磁性 抗磁性 定义 当材料被磁化后 磁化矢量与外加磁场的方向相反时 固体表现为抗磁性 抗磁性物质的抗磁性一般很微弱 磁化率 是甚小的负常数 M 与 H 反向 一般约为 10 6 数量级 抗磁性是电子电子的循轨运动在外加磁场作用下的结果 任何金属都具有抗磁性 金属中有一半是抗磁金属 Cu Ag Au Hg Zn Bi 等 因抗磁性大于电子的顺磁性 铁磁性铁磁性 有一类物质如 Fe Co Ni 室温下磁化率可达 10 10 6 数量级 这类物质的磁性称为铁磁 性 铁磁性物质即使在较弱的磁场内 也可得到极高的磁化强度 而且当外磁场移去后 仍可 T C 19 保留极强的磁性 有剩磁 铁磁体的铁磁性只在某一温度以下才表现出来 超过这一温度 铁磁性消失 这一温度称 为居里点其磁化率与温度的关系服从居里一外斯定律 反铁磁性反铁磁性 反铁磁自旋有序 首先是由舒尔和司马特利用中子衍射实验在 MnO 上证实 MnO 的 晶体结构是 Mn 离子形成面心立方晶格 O 离子位于每个 Mn Mn 对之间 从中子衍射线 超 过奈耳点的室温衍射图与奈耳点以下 80K 温度的衍射图比较 看到低于奈耳点的衍射图有额 外的超点阵线 通过分析得到反铁磁的磁结构 亚铁磁性体 亚铁磁性体 相邻原子磁体反平行 磁矩大小不同 产生与铁磁性相类似的磁性 一般称为铁氧体的大部 分铁系氧化物即为此 3 3 磁畴的形成和自发磁化磁畴的形成和自发磁化 3 3 1 磁畴的形成磁畴的形成 铁磁体在很弱的外加磁场作用下能显示出强磁性 这是由于物质内部存在自发磁化的小 区域 即磁畴 对于处于退磁化状态的铁磁体 它们在宏观上并不显示磁性 这说明物质内 部各部分的自发磁化强度的取向式杂乱的 因而物质的磁畴不会是单畴 而是由许多小磁畴 组成的 磁畴形成的原因有 交换 作用和超交换作用 3 3 1 1 交换交换 作用作用 磁偶极子类似于一个小永久磁体 因此在其周围形成磁场 这一磁场必然会对其它磁矩 产生作用 使磁矩在特定方向取向 由于磁矩的相互作用 使其取向趋于一致 实际上这是 由于电子的静电相互作用造成的 也即 交换 作用 这一现象也可从电子的 共有化 运动得到解释 交换作用能交换作用能 Eex AS1 S2 Acos A 0 时 自发平行排列 A 3 即一定的点阵结构 Rab 原子间距 r 未满电子壳层半径 3 3 1 3 超交换作用超交换作用 在某些材料中过渡金属离子不是直接接触 直接接触交换作用很小 只有通过中间负离 子氧起作用 在尖晶石结构中实际上存在 A A B B A B 三种可能位置 因而存在三种交换作用 由 于各种原因 这些化合物中只有其中的一种超交换作用占优势 C TT C 20 3 4 金属的铁磁性金属的铁磁性 3 4 1 磁各向异性磁各向异性 材料的磁化有难易之分 对于晶体来说 不同的晶体学方向其磁化也有所不同 即存在 易磁化的晶体学方向和难磁化的结晶学方向 分别称为易磁化轴和难磁化轴 如体心立方结 构的 Fe 其 100 的 3 个轴为易磁化轴 111 的 4 个轴为难磁化轴 Fe 的 100 Ni 的 111 和 Co 的 0001 为易磁化方向 而 Fe 的 111 Ni 的 100 和 Co 的 1010 为难磁化方向 立方晶系晶体磁晶各向异性能 立方晶系晶体磁晶各向异性能 室温下 铁室温下 铁 K1 4 2 104 J m3 Ni K1 0 34 104 J m3 六角晶系晶体磁晶各向异性能 六角晶系晶体磁晶各向异性能 HCP Co KU1 41 104 J m3 四方结构四方结构 Nd2Fe14B KU1 5 106 J m3 六角 六角 SmCo5 KU1 1 55 107 J m3 3 4 2 铁磁体的形状各向异性及退磁能退磁场 非闭合回路磁体磁化后 磁体内部产生一个与磁化方向相反的磁场 铁磁体被磁化后产生的退磁场强度 Hd N M 其中 N 为几何退磁因子 M 为磁化强度 负号表示退磁场与 M 反向 退磁能 2 0 0 0 2 1 NMdMHE M dd 当铁磁体呈开路态时 磁体越粗短 细长 N 值越大 越小 退磁能也越大 越小 球体 Nx Ny Nz 1 3 沿 Z 方向的一维直线型磁体 Nx Ny 1 2 Nz 0 在 X Y 平面内的二维磁性 薄膜 Nx Ny 0 Nz 1 在 S I 单位制中 Nx Ny Nz 1 3 4 3 磁致伸缩效应磁致伸缩效应 使消磁状态的铁磁体磁化 一般情况下其尺寸 形状会发生变化 这种现象称为此致伸 缩效应 长度为 L 的棒沿轴向磁化时 若长度变化为 L 则磁致伸缩率 L L 磁致伸缩 率在强磁场的作用下达到饱和的值 s称为磁致伸缩常数 作为铁磁体的特性参数经常使用 利用磁致伸缩可以使磁能 实际上是电能 转换为机械能 而利用糍致伸缩的逆效应可以使 机械能转变为电能 磁弹性能 为 M 与 夹角 2 2 3 SinE S 讨论 1 如果 s 0 则 当 90 时 取最小值 此时 M 磁性薄膜为垂直磁 E 化 2 如果 s 0 0 则 当 0 时 取最小值 此时 M 磁性薄膜为易面磁化 E 2 3 2 2 2 12 2 1 2 3 2 3 2 2 2 2 2 110 KKKEK sinsin 4 2 2 1 uuK KKE 21 3 4 4 磁畴结构磁畴结构 磁畴的形成是能量最低原理的结果 退磁能 减小表面自由磁极 磁弹性能 减少磁畴尺寸 畴壁能 包括磁晶各向异性能 磁 弹性能 畴壁数量减少 由于铁磁体具有很强的内部交换作用 铁磁物质的交换能为正值 而且较大 使得相邻 原子的磁矩平行取向 发生自发磁化 在物质内部形成许多小区域 即磁畴 这种自生的磁 化强度叫自发磁化强度 MS 因此自发磁化是铁磁物质的基本特征 也是铁磁物质和顺磁物质因此自发磁化是铁磁物质的基本特征 也是铁磁物质和顺磁物质 的区别所在 的区别所在 大量实验证明 为了保持自发磁化的稳定性 必须使强磁体的能量达最低值 因而就分 裂成无数微小的磁畴 形成磁畴结构 每个磁畴的体积大约为 10 9cm3 约有 1015个原子 磁畴壁 相邻磁畴的过渡区 磁畴壁具有交换能 磁晶能及磁弹性能 磁畴壁有吸引夹杂物或空隙的作用 因畴壁经过夹杂物或空隙时系统的退磁能和畴壁能都较 小 磁性材料中 夹杂物或空隙越多 壁移磁化就越困难 因而 磁化率也就越低 单畴颗粒 具有低的磁导率和高的矫顽力 3 5 技术磁化技术磁化 磁滞回线磁滞回线 铁磁体在未经磁化或退磁状态时 其内部磁畴的磁化强度方向随机取向 彼此相 互抵消 总体磁化强度为零 如果将其放入外磁场 H 中 其磁化强度 M 随外磁场 H 的变化 是非线性的 技术磁化技术磁化 在外磁场的作用下 铁磁体从完全退磁状态磁化到饱和的内部变化过程 磁化阶段磁化阶段 I 畴壁的可逆迁移阶段 II 畴壁的不可逆迁移阶段 III 磁畴的旋转 畴壁移动的阻力 1 应力理论 2 0 lM H i s s C 2 杂质理论 3 2 0 1 2 a dM K H S C 可以用磁滞回线说明晶体磁学各向异性 在某一宏观方向上 如水平方向 垂直方向 生长的单磁畴粒子 且其自发磁化强度被约束在该方向内 当在该方向上施加外加磁场 磁 滞回线为直角型 而在与此垂直的方向上施加磁场 磁滞回线缩成线性 3 6 影响金属铁磁性的因素影响金属铁磁性的因素组织结构不敏感参量 组织结构不敏感参量 Ms s K Tc 等 它们与成分 铁磁相的性等 它们与成分 铁磁相的性 质及数量有关 质及数量有关 22 组织结构敏感参量 组织结构敏感参量 Hc Br 等 它们与技术磁化有关 等 它们与技术磁化有关 一 温度的影响温度的影响 M T 曲线 Tc 二 应力的影响应力的影响 应力方向与磁致伸缩同号时应力促进磁化 反之则阻碍磁化 二 形变 晶粒及杂质的影响形变 晶粒及杂质的影响 形变产生大量缺陷和很高的应力 使磁导率下降 娇顽力升 高 再结晶退火可消除应力和缺陷 使磁化容易 从而使磁导率显著增高 娇顽力下降 晶粒细化与加工硬化的效果相似 晶粒越细小 晶界 面缺陷 便越多 磁化的阻力也越大 越 难磁化 杂质 固溶杂质使点阵扭曲 阻碍畴壁移动 使 下降 Hc 上升 间隙固溶 体时 杂质影响较大 形成夹杂物和置换式固溶体时影响较小 但都使 Ms 降低 何谓磁导率 改善铁磁材料 的方法有哪些 磁导率 当外磁场 H 增加时 磁感应强度 B 增加的速率叫磁导率 用 表示 即 B H 提高铁磁材料磁导率提高铁磁材料磁导率 的方法途径有 的方法途径有 1 消除铁磁材料中的杂质 2 把晶粒培育到足够大 并呈等轴壮 3 冷加工造成再结晶织构 4 磁场中退火造成磁织构 四 合金成分和组织的影响 见课件 五五 钢的铁磁性钢的铁磁性 铁素体 碳溶于 Fe 中形成的间隙固溶体 珠光体 贝氏体 和马氏体均具有强铁磁性 Fe3C 是弱铁磁相 奥氏体呈顺磁相 淬火态比退火态的 Hc 高 含 C 量高的 Hc 高 同是淬火态或退火态 细片 珠光体的 Hc 比 粗片状和粒状的高 磁导率的变化与 Hc 相反 改错 1 在钢的组织中 奥氏体是铁磁相 答 错 在钢的组织中 奥氏体是铁 顺 磁相 2 钢在回火过程中 残余奥氏体分解会引起饱和磁化强度 Ms 的降低 23 答 错 钢在回火过程中 残余奥氏体分解会引起饱和磁化强度 Ms 的降低 升高 3 7 铁磁性的测量铁磁性的测量 详细见课件详细见课件 静态磁性能的测量 直流磁场下的基本磁化曲线 磁滞回线 以及由此定义的磁参数 Ms Br Hc BH max 等 动态磁性测量 测量软磁材料在交变磁场中的性能 以及各种 B f 下的 和磁损耗 1 闭路试样的冲击法 2 开路试样的冲击法测量 3 热磁仪测量法 磁转矩仪 4 抛脱法 1 先将试 样磁化到饱和 2 逐渐增大反向电流退磁 3 直至将试样迅速抽出后 检流计为零 4 HC NI L 材料的弹性及内耗材料的弹性及内耗 弹性模量 在弹性范围内 引起物体单位变形所需要的应力大小 即材料所受应力 与应变 之间的线性比例系数 E 其中称为弹性模量 它表示材料弹性变形的难易程度 弹性的物理本质 见课本 弹性模量与其他物理量的关系 1 与熔点 Tm的关系 E KTmacb 其中 c 比热容 K a b 常数 a 1 b 2 原子结合力越强 熔点也越高 E 也越大 2 与德拜特征温度 D 的关系 见课件 3 与原子结构的关系 见课件 影响弹性模量的关系 1 温度的影响 一般情况 T a F E 铁 T 100 E 3 4 钢 t 25 450 E 20 弹性模量温度系数 e 1 E dE dT 热膨胀系数 1 a da dT 思考 试由 E k am 推证 e 常数 2 相变的影响 多晶型转变 有序化转变 铁磁性转变 超导态转变等 2 合金成分与组织的影响 总的来说 加入少量的合金元素和进行不同热处理工艺对 E 的影响不明显 但加入大量的合 金元素会使 E 产生明显变化 E 与溶质浓度之间可以成近似于直线关系 或偏离直线关系 一 形成固溶体合金 二 形成化合物和多相合金 弹性模量是个组织不敏感的参量 它几乎与单相合金的晶粒大小与形状 多相合金中第二相 24 的弥散程度 形状和分布状态等因素无关 溶质原子对 E 影响小结 1 由于溶质加入而造成点阵畸变 使 E 降低 2 溶质和溶剂原子结合力比溶剂原子结合力大 使 E 增加 反之降低 3 溶质原子可能阻碍位错弯曲和运动 使 E 增大 4 过渡族元素的 d 层电子未填满 结合力较强 可能使 E 增大 5 有序化有利于改善离子电场的规整性 有利于增强化学作用力 使 E 增大 弹性模量的测量及应用 1 静态法 从应力和应变曲线确定弹性模量 E 的方法 缺点 精度底 载荷大小 加载速度影响大 脆性材料有困难 2 动态法 在试样承受交变应力产生很小应变的条件下测量弹性模量 E 的方法 优点 速度快 准确 试样承受极小的应力应变 10 5 10 7 适用于高温和交变复杂 负荷条件下工作的金属零部件 弯曲振动共振法 两端自由的均匀棒的振动方程 满足于基波的圆棒的弹性模量 E 1 262 L4f2 d2 其中 L d f 分别为试样的长度 直径 共振频率 和密度 试样尺寸应满足 L d 20 25 悬丝 直径小于 0 2 mm 长度 100 300 mm 不具有强谐振的细丝 室温可用棉线 600 以下 选用铜丝 高温可用铂金丝 悬丝挂在共振的结点处 0 224 0 174L 范围内 内耗 Internal friction 滞弹性 在弹性范围内出现的非弹性现象 如弹性蠕变和弹性后效 滞弹性内耗 滞弹性是在弹性范围内出现的非弹性现象 理想的弹性体完全遵守虎克定律 应力与应变随时保持相同的位相 则无内耗 滞弹性内耗 tan 1 2 W W 振动一周在单位弧度上的相对能量损耗 Q 1 1 2 W W 1 ln An An 1 The internal friction is calculated from the decay of the vibration amplitude Q 1 tan 1 31 2 内耗峰与内耗谱 根据弛豫理论 tan M 2 1 2 2 其中 M 为模量亏损 M MU MR MUMR 1 2 4 4 2 4 x u t u EI S 25 1 或 1 时 tan 都趋于零 1 时 tan 出现极大值 内耗峰 弛豫时间弛豫时间 受力材料从一个平衡状态过渡到新的平衡态 内部原子调整所需要的时间 它 与温度 T 及扩散激活能的关系 0exp H RT 产生滞弹性内耗峰的共振条件 产生滞弹性内耗峰的共振条件 是 1 时 内耗峰 tan 出现极大值 其中 弛豫时间 0exp H RT 得到内耗曲线的途径 得到内耗曲线的途径 1 改变振动频率得到改变振动频率得到 Q 1 曲线 2 改变温度得到改变温度得到 Q 1 T 曲线曲线 滞弹性内耗明显与动态的振动频率有关 与振幅无关 即使是滞弹性材料 如果实验是准静 态地进行 不会产生内耗 这时一种动态滞后行为的结果 静滞后内耗 静滞后也是一种弹性范围内的非弹性现象 应力变化时 应变总是瞬时调整到 相应的值 这种静态落后于应力的行为有别于滞弹性的动态滞后 静滞后内耗与加载速度无 关 而与振幅有关 近年来已查明 应力振幅很小时 晶体内的位错运动会产生静滞后行为 引起内耗 内耗产生的机制内耗产生的机制 总的来说 材料的非弹性行为起源于应力感生原子的重排和磁重排 原子重排的性质不同 要通过不同的机制进行 1 体心立方点阵中间隙原子的微扩散 斯诺克 J Snoek 峰 碳 氮 钢的振动衰减和温度曲线上 在 40 C 附近出现的内耗峰 该峰值与 C N 浓度成正比 f 1 Hz 碳 氮 原子在 Fe 中的扩散激活能为 80 2kJ mol 76 8kJ mol 间隙原子在 BBC 点阵中应力感生微扩散产生的内耗峰与溶质原子浓度成正比 晶界对间隙原子有吸附作用 晶粒越细 晶界越多 受应力感生有序的间隙原子就越少 内 耗峰就越低 面心立方点阵中间隙原子的微扩散面心立方点阵中间隙原子的微扩散 一 点阵中存在合金元素的原子 间隙原子与合金元素的原子产生不对称畸变而引起内耗 内耗峰值与单位体积内间隙原子的浓度成正比 Fe Mn Fe Mn Ni Cr 合金的内耗峰值和含 碳量的关系得到证实 二 点阵中存