第三章材料的磁学性能.ppt

第三章材料的磁学性能,奥斯特实验电流产生磁效应,N,S,螺线管的磁场,螺线管内的磁感应强度安培定律真空中的磁导率(亨利/米)电流，单位长度的匝数，真空中，H为磁场强度,电荷在磁场中的运动,磁场对电流的作用,l位移矢量，方向沿导线指向电流方向方向由图面指向外,磁场对电流回路的转矩磁矩的概念,电流回路所受的转矩普遍形式磁矩方向为回路的轴线（右手定则）,静磁能,P,磁化现象及磁化强度,单位体积的总磁矩定义为磁化强度材料的磁化强度M与外磁场强度H的关系为物质的磁化率材料中的磁感应强度为为材料的磁导率,磁化率及物质磁性的分类,磁化率及物质磁性的分类,磁化率和磁导率,磁化率磁导率,磁化曲线和磁滞回线,磁滞现象Mr剩余磁化强度Hc磁矫顽力磁滞回线磁滞损耗,硬磁材料和软磁材料,硬磁材料大Mr和Hc，低软磁材料小Hc，高（低磁滞损耗）,原子本征磁矩,电子轨道磁矩(方向：由图指向内),电子自旋磁矩（由上向下）可以对组成这个电荷的所有无限小电流回路的磁矩取积分而求得。某一电子壳层被填满，其总磁矩为零。某一电子壳层未被填满，其对外显示磁矩。,e,m,v,r,L为轨道角动量,物质的顺磁性,原子内未填满的电子壳层（如过渡元素的d层），或具有奇数电子的原子，以及电子的自旋构成原子的固有磁矩。顺磁性大于抗磁性的物质称为顺磁体，否则称为抗磁体。,无外磁场,有外磁场（常温）,有外磁场（接近0K）,正常顺磁体,存在铁磁性,存在反铁磁性,尼尔点,金属的抗磁性和顺磁性,非金属大多是抗磁性（共价键，磁矩抵消）Cu、Ag、Au等，d壳层填满，抗磁性过渡金属Fe、Co、Ni等，d壳层未填满，存在固有磁矩。高温下为强顺磁体，低温下为铁磁体碱金属和碱土金属（Be除外）为顺磁体（自由电子顺磁性占主导地位）,过渡金属原子的固有磁矩,（钪）,影响金属抗、顺磁性的因素,同素异构转变,770C,加入铁磁性元素使剧增,金属形成中间相或化合物，出现极值点,磁化率的测量,顺磁体,磁静能,磁铁吸力的产生,顺磁性物质放在非均匀磁场中，将受到吸力的作用，方向为,物质的铁磁性,磁畴小区域内自发磁化至饱和。无外加磁场时各磁畴磁化方向抵消，对外不显磁性。外加磁场时各磁畴磁化方向同向排列，对外显强磁性。,铁磁质的自发磁化,自发磁化的条件1、d壳层未被填满，存在剩余的自旋磁矩2、自旋磁矩能自发的同向排列的判据交换能式中A为交换能积分常数，为相邻原子两个电子自旋磁矩间的夹角。Rab为原子核间的间距，r为未填满壳层半径。,磁晶各向异性,铁磁单晶体磁性各向异性。磁化功等于图中阴影部分的面积。Ms沿易磁化轴时能量最低（取此能量为基准）。磁化矢量沿不同晶轴方向的能量差代表了磁晶各向异性，称为磁晶能EK。,磁化功,磁致伸缩,磁致伸缩系数L/L，饱和磁致伸缩s。沿磁场方向伸长正磁致伸缩，0(如铁)。反之为负磁致伸缩，0（如镍）。机制：原子磁矩有序排列时电子间的相互作用导致原子间距自发调整。磁致伸缩受限，材料要储蓄磁弹性能,铁磁体的形状各向异性及退磁能,磁体越粗短，退磁场越大，退磁能Ed也越大。磁体越细长，退磁场及退磁能Ed越小。形成封闭磁路时无退磁场及退磁能。,磁畴的形成及结构,每个磁畴的体积很小，其数量级约为10-15m3，相当于可含1015个原子。磁畴宽度约10-510-6m，相当于105个原子直径。畴壁宽度约10-7m，相当于一千个原子直径。每个磁畴内的原子磁矩都已自发地趋于同向排列（通常沿易磁化方向），从而使单个磁畴具有很高的磁饱和强度，犹如一个很强的小磁铁。,磁畴壁,尼尔壁,减小交换能，以降低磁壁能,磁畴的形状和结构,铁磁体的各种能量之和最小时，磁畴获得平衡结构。降低退磁能1、大磁畴分割为反平行的小磁畴；2、形成封闭的磁畴结构。降低磁壁能磁畴不能无限分割。降低磁弹性能由微小的封闭畴构成，补偿磁致伸缩的尺寸效应。,副畴,多晶体中的磁壁结构杂质或空隙降低磁壁能减小磁壁的可动性,技术磁化理论,1、磁场较弱，磁矩与外磁场呈锐角的磁畴扩大，呈钝角的磁畴减小磁壁可逆移动（注意：磁壁移动仅仅是磁矩的转动，而不是原子的位移或扩散）。2、磁场增强，磁矩与外磁场呈钝角的磁畴瞬时转向与磁场呈锐角的易磁化方向（磁壁瞬时跳跃巴克豪森跳跃）。3、磁场继续增强，磁矩由易磁化方向转为外磁场方向。,外加磁场,左畴静磁能较低，右畴静磁能较高。磁壁向右运动使系统的静磁能降低（磁壁的移动不是原子的位移，而是磁矩方向的转动）。,易轴方向的转动是静磁能U的降低（希望与外磁场方向一致）和磁晶能EK（希望沿易轴方向）升高的平衡，使总能量最低。,巴克豪森跳跃,自由能,阻力,外加磁场,影响金属及其合金铁磁性的因素,温度的影响，导致原子磁矩无序度增加。超过居里点，铁磁性物质退化为顺磁性物质,应力方向与磁致伸缩同号，则促进磁化（降低磁弹性能）。反之阻碍磁化。缺陷增加（形变、晶粒细化晶界增加、杂质等），造成磁畴壁移动困难，减小，增加Hc和Mr。,铁磁金属中加入顺磁或抗磁元素，使铁磁金属d壳层磁矩减小，从而减小Ms。,两种铁磁金属组成固溶体的情况,合金有序化的情况（通常使Ms增加）,有序化,有序,无序,混合,钢中组织：强铁磁相珠光体、马氏体、贝氏体弱铁磁相渗碳体顺磁相奥氏体,多个铁磁相混合时，总Ms符合混合定律（按体积分数），并拥有多个居里点。,硬磁材料的发展,Sm钐,Nd钕,动态磁化特性,铁磁材料用于高频时会产生涡流损失，故要用高电阻率的铁氧体（如(Ni-Zn)Fe2O4，使用频率高达4080MHz）以减小铁芯损耗。高频时还会产生集肤效应，故要扎成薄片状使用（如硅钢片）。,铁磁材料的应用,矩磁铁氧体,材料静态磁性能的测量方法,冲击测量法,抛脱法测量,磁场强度能使试样达到MsW为测量线圈匝数,热磁仪法测量,C为弹簧的弹性常数,材料磁性分析的应用,测定钢中的残余奥氏体高碳工具钢淬火组织：马氏体（强铁磁性）残余奥氏体（顺磁性）。残余奥氏体可以减小淬火变形、提高材料韧性。,下标s代表试样，m代表马氏体，代表奥氏体。,马氏体，Vm,(Ms)m,奥氏体，V,(Ms),淬火钢的回火转变,MM,B,纯铁体,强铁磁相珠光体、马氏体、贝氏体弱铁磁相渗碳体顺磁相奥氏体,M回火马氏体（过饱和碳化物）B贝氏体（过饱和碳化物）,M继续分解析出渗碳体,过冷奥氏体转变,奥氏体，顺磁相,转变产物，铁磁相,下标s代表试样，z代表转变产物。,