第三章磁性能.ppt

1,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、Al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=mHm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=0rH=H0：真空磁导率r：相对磁导率：绝对（真实）磁导率,2,磁介质的分类与特征：1抗磁体：磁化率m0，约为10-610-3。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m1/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）。,3,3、铁磁体：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、钴、镍等。铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。此临界温度称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（TN：尼尔点），其行为象顺磁体。具体材料有-Mn、铬，还有如氧化镍、氧化锰等。,4,5,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，由此产生的磁矩称为轨道磁矩，垂直于电子运动的轨道平面；在外加磁场上的分量为：mez=mlB（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旋磁矩各自相抵消，此时原子本征磁矩m0,6,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），故抗磁不是自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,任何金属在磁场作用下都要产生抗磁性；抗磁金属的磁化率很小，约为10-510-6数量级，并且与磁场强弱和温度无关。,7,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(变小），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，故顺磁磁化困难。,8,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；产生顺磁性的（必要）条件：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,9,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。非金属中除了氧和石墨外，都属于抗磁体并且它们的磁化率与惰性气体相近。以Si、S、P以及许多有机化合物为例，它们基本上以共价键结合，由于共价电子对的磁矩相互抵消，因而这些物质均成为抗磁体。碱金属和碱土金属（除Be外），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。,10,2）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都有较强的顺磁性，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。,11,3.2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：异常）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TTN时：随温度升高，磁化率下降；当T3，但不能太大,32,上图表示由两个原子核a，b和两个电子1，2组成的氢分子模型，当两个原子距离很远时，因为无相互作用，电子的自旋取向互不干扰的；当两原子接近而组成氢分子后，在核与核、电子与电子以及核与电子之间便产牛了新的静电相互作用，使分子在静电交互作用随电子自旋方向不同产生不同能态：,自旋平行时系统的能量E1和自旋反平行时系统的能量E2，究竟哪一个低，即哪一个处于稳定态的关键在于交换积分A的符号。如果A0，电子自旋平行排列为稳定态（铁磁态）；如果A0，点阵常数a与未填满的内壳层半径r之比值3；稀土金属满足a/r3，但原子间距太大，电子云重叠很少或不重叠，对电子自旋取向较小，常温下为顺磁。,Gd,34,二、技术磁化：铁磁金属在外加磁场作用下产生的磁化（畴壁的迁移与磁畴的旋转）,1、起始磁化阶段：对应磁化曲线上的OA，磁化强度M随外加磁场的增大缓慢增大，宏观上表现为较弱的磁化强度，这是由于在较弱的外磁场作用下，畴壁仅作较小的位移造成：锐角磁畴扩大，钝角磁畴减小，从而使磁体沿外场方向表现出磁性；畴壁的位移不大，故磁体磁化强度不大，且这种壁移为弹性壁移，若将外磁场减小到0，畴壁又会退回到起始位置而使磁化强度降为0，称为可逆壁移,35,2、急剧磁化阶段：磁化强度随外磁场的增加急剧上升，主要是在外磁场的驱动下，磁畴发生了不可逆壁移及磁矩不可逆转向；由于此时磁场驱动力足够大，使壁移得以克服内应力和杂质等阻力迅速位移，并导致所有钝角磁畴瞬时转变为锐角畴，从而使磁化强度剧增；由于畴壁克服较大的阻力得以迁移，即使去除外磁场，畴壁也不再退回原位，为不可逆壁移；3、缓慢磁化并趋于磁饱和阶段：磁化强度随外加磁场的增加而缓慢增加并趋于磁饱和，对应的为锐角磁畴进一步转向外磁场方向的过程。由于磁畴转动必须克服磁各向异性能，故磁矩转动困难，导致磁化强度缓慢上升；造成畴壁可逆与不可逆壁移的临界磁场即为矫顽力。,36,37,三、磁畴壁移动的阻力及其理论模型从技术磁化来看，畴壁移动存在阻力，因此需要外磁场做功；阻力来至于两个方面：一是由磁体磁化所产生退磁场能；二是由晶体内部的缺陷、应力、夹杂以及组织所造成的不均匀性。后者是产生不可逆磁化的原因；1、内应力理论：实际晶体中的晶体缺陷如空位、位错、间隙原子及溶质原子等均会产生组织应力；同时铁磁体磁化过程中本生产生的磁致伸缩效应，也会造成内应力，从而使畴壁在不同位置处的表面能密度不同，应力变化越大，矫顽力越高：磁畴壁厚；l：应力分布波长；i：应力梯度,38,2、杂质理论杂质是指比基体相磁性低得多的相如弱铁磁相、非铁磁相和气孔等，由于杂质的存在使畴壁穿孔，并且杂质越多，畴壁面积越小，所以畴壁处于杂质穿孔多的位置时，畴壁总的自由能最低，在畴壁移动过程中由于畴壁能量的增加使其迁移过程为非自发态，因而产生阻力，杂质越多、颗粒越细小，矫顽力越大；d：杂质直径；：杂质体积百分数，K1：磁晶各向异性常数,39,3.6影响金属铁磁性的因素,总体趋势：凡是与自发磁化过程有关的参量如：饱和磁化强度（Ms）、饱和磁致伸缩系数s、磁晶各向异性常数K1、居里温度Tc均属于组织不敏感参量，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含量，与材料的组织形态几乎无关；凡是与技术磁化过程有关的参量如磁导率、矫顽力Hc、剩余磁感应强度Br为组织敏感参量，除受上述因素影响外，还受晶粒大小、第二相形状、大小、分布以及晶体缺陷的影响。,40,一、温度温度低于居里点时，由于温度升高使原子的热运动加剧，原子磁矩无序倾向增大，导致Ms下降。接近居里点时，原子磁矩无序倾向急剧增大，因此Ms急剧降低，在居里点处下降为零，即铁磁性消失，呈现顺磁性，这是由于温度升高，原子无规则的热运动加剧，逐渐削弱了自旋磁矩同向排列直至丧失自旋有序的结果。,41,42,Bmax随温度的升高而下降，与Ms和温度的关系基本相似。温度对Br的影响比较复杂，-200-20区间，Br随温度升高而增大，但温度继续升高，则Br降低（与Ms线类似）；的变化也比较复杂，在强磁场中，由于温度升高会导致B值降低，故随之降低。但在较弱的磁场中，温度升高可引起应力松弛，有利于磁化，由此可以减小磁化过程的阻力，因此值不但没有下降，反而随温度升高而增大，当温度接近居里点时，急剧下降；Hc随着温度的升高而下降，这是由于温度升高会引起K和s降低以及应力松弛所造成的(降低了壁移阻力)。,43,44,二、应力当应力的方向与金属的磁致伸缩系数为同号时，应力促进磁化、反号则对磁化起阻碍作用：即压应力有利于Ni、Co（负磁致伸缩材料）的磁化、拉应力有利于Fe（正磁致伸缩材料）的磁化,45,46,三、形变、晶粒及杂质的影响形变使磁导率显著降低，形变量越大，值下降显著、Hc越高，原因在于形变引起的点阵畸变和内应力的增高使壁移阻力增大，同时内应力也不利于磁矩的转动，因而磁化和退磁过程困难(再结晶退火相反）。Br在压缩量为58%以下时，随压缩量的增大急剧降低，当压缩量8%，Br随加工硬化程度的增大而逐渐增高；晶粒细化、晶界增多，磁化阻力增大，难以磁化(磁导率越低、矫顽力越大、磁致损耗越大）；夹杂物固溶于铁磁质中会造成点阵扭曲，呈夹杂物存在时则使畴壁穿孔，增大畴壁移动阻力，值下降、Hc上升（间隙固溶影响置换固溶）,47,48,四、合金成分和组织的影响（一）、形成固溶体1、抗磁或顺磁金属（Cu、Zn、Al、Si、Sb）溶入铁磁金属中形成固溶体，由于溶质原子的外层电子进入了铁磁金属的d层电子，导致波尔磁子数减小，铁磁金属的饱和磁化强度随溶质浓度增加而降低；溶质原子的原子价越高，溶质元素给出的电子越多，磁性能下降越剧烈2、过渡族金属（Mn、Ir、Pt）与铁磁金属组成固溶体时，改变了点阵常数，增强交互作用，对自发磁化有促进作用，当溶质浓度不高时，Ms增加，浓度较高时，由于溶质原子的稀释作用，Ms下降；,49,50,3、两种铁磁金属组成固溶体时，Ms变化较为复杂；4、固溶体合金发生有序化时，Ms上升（如Ni-Mn合金形成有序度很高的Ni3Mn时，Ms达最高值（曲线2无序、曲线1为450有序化处理后）。,51,52,（二）、形成化合物铁磁金属与顺磁或抗磁金属所组成的化合物和中间相（如FeZn7、Fe3Au、FeSb2等），改变了铁磁金属中3d层的电子交互作用，呈顺磁性；铁磁金属与非金属所组成的化合物如Fe3O4、FeSi2、FeS等，由于两相邻原子的自旋磁矩呈反向平行排列，又没有完全抵消，因而呈亚铁磁性；常见的Fe3C、Fe4N属于弱铁磁相；（三）形成多相合金（如各相均为铁磁相、满足线性相加法则）Ms=Ms1V1%+Ms2V2%+,53,54,（四）、钢中组织（F、P、A、B、M、Fe3C）其中：F、P、B、M均为强铁磁相；Fe3C为弱铁磁相；A、合金碳化物为顺磁相。随碳含量的增加，退火、淬火态下的Ms下降，原因在于退火时弱铁磁相Fe3C增大、淬火时顺磁相残余奥氏体量增大；矫顽力随碳含量的增加而增加，且淬火态高于退火态，这是由于淬火形成马氏体（共格切变）时具有很高的内应力。Hc细片状P粗片状P粒状P,55,56,3.7铁磁性的测量（直流）,一、定量分析的磁场实验证明：外加磁场的强度能使试样磁化到饱和状态时，则磁化强度与铁磁相的数量成正比（满足线性相加原则）。如不能使试样磁化达到饱和状态，则铁磁相的数量与磁化强度之间偏离直线关系而与组织因素有关，且磁场越小、偏差越大，不能完成定量分析；要求：做定量分析的磁场强度应高于48104A/m，最低不低于28104A/m,57,58,二、测量方法1、冲击测量法（主要用于测量Ms、磁化曲线、磁滞回线）,根据法拉第定律：电磁感应测试过程中由线圈N通以电流产生H，试样在H作用下产生磁感应B，随电流变化、H发生变化，从而导致B变化，产生感应电动势（由检流计的偏转来确定大小）,59,2、热磁仪法：通过测定试样在均匀磁场中所受磁力矩大小来求得其磁化强度精度较小，但能连续测量和自动记录，测量速度也较快，可跟踪测量转变速度较快的过程，适合于测量过冷奥氏体转变的动力学,60,3、感应式热磁仪法：主要用于测定过冷奥氏体等温转变的开始和终了时间、结构简单、使用方便，但由于磁场强度不高、不能使试样达到此饱和，故不能用于定量分析；（奥氏体的等温转变生成铁磁相，使差动电压随反应的进行逐步增大）,61,4、抛脱法：用于测定矫顽力首先将试样置于螺旋管和测量线圈中，螺旋管通以电流，使试样磁化饱和，然后去除，试样保留一定剩磁，然后反向通以电流，使试样退磁，将经过退磁的试样迅速抽出线圈，如剩磁不为零，则测试线圈中有磁通变化，产生感生电动势，检流计偏转，如剩磁为零，则无偏转，此时外加磁场为矫顽力。,62,3.8铁磁分析的应用,一、测定淬火钢中残余奥氏体含量：冲击测量法含碳量比较高的钢经过淬火之后，在室温下的组织中都或多或少存在着一部分残余奥氏体，从而影响钢的工艺性能和机械性能。例如：对工具钢来说，残余奥氏体存在可以减小淬火过程中的变形；超高强度钢中，保留一定量的残余奥氏体能显著改善断裂韧性；近年来研究认为，GCrl5轴承钢中的残余奥氏体有利于提高接触疲劳强度和寿命。,63,1、碳钢和低合金钢：淬火M+残余A在强磁场下，根据线性相加的原则：(Ms)试样=(Ms)MVM%+(Ms)AVA%M体为强铁磁相，A体为顺磁相，则(Ms)A0则VM%=(Ms)试样/(Ms)M100%VA%=1-VM%=(Ms)M-(Ms)试样/(Ms)M100%对于标准样的要求如下：一是成分、形状、尺寸要和待测试样完全相同，二是要具有100的马氏体组织。,64,2、高碳高合金钢：淬火M+残余A+合金碳化物M体为强铁磁相，A体、合金碳化物为顺磁相，仍满足：VM%=(Ms)试样/(Ms)M100%但此时：VM%+VA%+Vcm%=100%故VA%=(Ms)M-(Ms)试样/(Ms)M100%-Vcm%其中Vcm%可用电解萃取法或定量金相的方法确定。理想标样的的热处理工艺：A：淬火后进行冷处理(液氮或液氦)：深冷处理B：选用“回火标样”：试样淬火后进行某温度的适当时间的回火，使残余奥氏体尽量分解为回火马氏体。C：对低碳钢和低合金钢，也可选用“铁素体标样”D：采用退火试样作标样,65,二、研究淬火钢的回火：热磁仪法在回火过程中残余奥氏体分解的产物都是铁磁性相，会引起饱和磁化强度的升高；马氏体分解析出的碳化物是弱铁磁相，会引起饱和磁化强度的下降。由于多相系统的磁化强度服从相加原则，故可采用饱和磁化强度随回火温度的变化作为相分析的根据，确定不同相发生分解的温度区间，判断生成相的性质。（温度、相变的综合作用）,66,1、20-200回火时：在20-200区间回火时，饱和磁化强度随温度升高缓慢下降。从饱和磁化强度和加热温度的关系考虑，曲线下降的原因首先是由于温度的影响，同时实测曲线冷却时表现出明显的不可逆性，表明在此阶段中发生了组织转变，析出了碳化物（：弱铁磁相），由此而导致曲线降低。,67,2、在200-300区间饱和磁化曲线随温