第三章;磁学性能(铁磁性及其物理本质)

1、第三章材料的磁学性能，3.3.1磁体的自发磁化，材料具有铁磁的基本条件。(1)物质中的原子具有未填充的电子外壳，必要条件(2)自旋磁矩必须自发地按同一方向排列。也就是说，自发磁化是产生铁磁的充分条件。“分子场”来自电子间的静电相互作用。实验表明，磁铁质自发磁化的原因来自原子未抵消的电子自旋磁矩，轨道磁矩对铁磁几乎没有贡献。根据耦合理论，原子徐璐接近形成分子时，电子云徐璐重叠，电子必须交换徐璐位置。对过渡族金属而言，原子的3d状态与4s状态能量没有太大区别，因此电子云也重叠，导致S，D状态电子的再分配。也就是说，发生了交换作用。交换作用引起的静电作用力称为交换力。在交换力的作用下，相邻原子的自旋

2、磁矩有序排列。它的作用像强磁场，而外力的“分子场”就源于此。交换作用产生的额外能量成为交换能量。磁性物质内部相邻原子电子的交换能量积分常数为正(A0，=0)时，相邻原子磁矩以相同方向平行排列(能量最低)，实现自发磁化。这就是产生铁磁的原因，即充分条件。这种相邻原子的电子交换效果是其本质仍然用静电力强迫电子自旋磁矩平行排列，其效果像强磁场一样。(A0，=180)时，相反的平行阵列是反铁磁。交换能量，A是交换能量积分常数，是相邻原子的两个电子自旋磁矩之间的角度。系统稳定性符合最低能源原则。交换能量积分常数A不仅与电子运动状态的波函数有关，而且很大程度上取决于原子核之间的距离和未填充的壳半径。Rab

3、r 3，A0，满足自发磁化条件，为了铁磁，Rabr太大，原子之间的距离太大，电子云没有重叠或重叠，不能满足自发磁化条件，是顺磁性。Rabr 3，A0反向排列，是反铁磁磁性的充电条件。原子里必须有填充的电子外壳。可以满足Rabr 3以创建A0。电子意味着原子固有(固有)磁矩非零。后者是指必须有一定的晶体结构。Rab-原子间距r-未填充的电子层半径，铁磁生成条件：原子内部必须有最后填充的电子外壳。Rabr比大于3时，交换积分a为正数。电子意味着原子固有磁矩不是零。后者是指必须有一定的晶体结构。磁质在热原子间距离增大，电子间交换作用减弱，自发磁化减弱，高于一定温度时交换作用被破坏，表现为盒性。这个转

4、换温度称为居里温度。3.3.2反铁磁和亚铁磁性，交换积分A0时，原磁矩逆平行排列的能量最低。如果相邻原子磁矩相等，则原子磁矩半平行排列，原子磁矩徐璐抵消，自发磁化强度为零。这种特性称为反铁磁。研究表明，纯金属-Mn、Cr等属于反铁磁。许多金属氧化物，例如MnO、Cr2O3、CuO、NiO等，也属于反铁磁。反铁磁，亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子)组成，同一磁性的离子磁矩平行排列在同一方向，不同磁性的离子磁矩平行排列在相反方向。由于两种离子的磁矩不相等，相反的平行磁矩不能准确地抵消，差异表现为宏观磁矩。具有亚铁磁性的物质大部分是金属的氧化物，是非金属磁性物质，一般称为铁氧体。磁性离子

5、之间没有直接交换作用，通过夹在中间的氧离子形成间接交换作用，称为超交换作用。亚铁磁性，交换积分A0是因为磁矩逆平行排列的能量最低。如果相邻原子磁矩不相等，原子磁矩就不能徐璐抵消，有自发磁化。这种特性称为亚拼写性。，铁磁反铁磁铁磁性，反铁磁和铁磁性材料可以被视为两组子晶格，每个子晶格的离子磁矩在同一方向平行排列，其他子晶格在相反方向平行排列。3.4磁晶体各向异性和各向异性能量，铁磁性单晶的研究表明，不同晶体方向的磁化曲线不同。单晶体的每个决定都具有不同磁性的这种性质称为磁性的各向异性。有磁各向异性，相邻原子间的电子轨道和交换作用。由于自旋-轨道相互作用，电荷的分布是旋转椭球，不对称与自旋方向紧密

6、相关，因此自旋方向可以通过相对于晶轴的旋转改变交换，原子电荷分布的静电相互作用改变，从而引起磁各向异性。3.5磁致伸缩和磁弹性能量，铁磁材料的大小和形状在磁化过程中变形的现象称为磁致伸缩。原因：原子磁矩有序排列时，电子之间的相互作用导致原子间距的自发调整。由于磁致伸缩引起的变形受到限制，材料内会发生应力，因此存在称为磁弹性能量的弹性能量。磁铁在磁场中携带的能量称为静态磁能，磁铁和外部磁磁场的相互作用力和磁铁在自己的脱磁场中含有能量，后者通常称为脱磁场。磁铁的形状各向异性是由退磁场引起的，当磁铁磁化为磁极时，磁铁内部会起磁极作用，产生与外部磁化场相反的磁场，这是因为它起着脱子(外部磁场减弱)的作

7、用，所以被称为退磁场，以Hd表示。Hd=-NM N是与材料几何、大小相关的脱字系数。m磁化强度。3.6因为铁磁性体的形状各向异性和脱磁力，磁场作用于铁磁性体的脱磁力，由3.7磁性体的形成和磁球结构，由很多物质的小磁性体组成。磁场不作用时，磁区方向不规则，因此整体上没有磁场时，磁性不会出现，由于原子磁矩之间的相互作用，晶体中相邻原子的磁偶极在小区域内排列成一致的方向。(莎士比亚，磁王，磁极，磁极，磁极，磁极，磁极)，磁鼓，没有磁场的时候，铁磁性体内部被磁化为饱和的小区域。3.7.1磁鼓和磁鼓墙，磁鼓墙：相邻磁鼓的边界区域称为磁鼓墙，分为两种。磁畴的结构，周口：大而长的磁畴，其自发磁化方向跟随晶体

8、的磁化方向。相邻主域磁化方向相反。子域：小而短的磁畴，磁化方向不均匀。(1)180壁。相邻磁畴的磁化方向相反。(2)90面墙。相邻磁球的磁化方向是垂直的。磁畴壁具有交换能ECX、磁结晶力EK和磁弹性能。磁交换能量：与突然改变方向相比，逐步改变方向更容易，交换变小，墙越厚，交换变小。磁晶体能量：域壁越厚，原子磁矩逐渐改变方向，使原子磁矩偏离容易磁化的方向，磁晶体力增加。(莎士比亚，磁力，磁结晶力，磁结晶力，磁结晶力，磁结晶力，磁结晶力)磁弹性：原子的逐渐转向很容易产生弹性，因为每个方向的弹性各不相同。(莎士比亚，磁弹，磁弹，磁弹，磁弹，磁弹，磁弹)壁内的能量以磁球为高度，磁鼓壁的厚度以能量最小原

9、则为基础。交换可以使壁厚变大，磁结晶可以减少壁厚。两种能源竞争使域墙具有一定的厚度。磁性球体的形状、大小、墙类型和厚度始终称为磁性球体结构。形成磁鼓是为了降低系统的能量(主要是为了降低脱磁能量和磁弹性)。磁结构受交换能量、磁结晶力、磁弹性、壁能、脱磁力的影响，因此平衡状态时的磁结构必须使这些能量的总和成为最小值。简述了3.7.2子球的原因和结构，子球的形成过程，A:子球的形成符合能量最低条件，最小化系统能量以保持系统的能量平衡。自救的形成过程如下。(1)假设磁晶体有自发磁化区，磁化区的两极产生高退磁场。如图A所示，如果(2)将上述磁化区域分割为两个区域，则磁场会减少，如果继续分割，则倾向于减少

10、到0。如图B所示，(3)形成封闭结构后，磁场减少到0，没有自由磁极。闭合磁球的形成使磁变形不同，产生弹性和磁晶体能量。如图C所示，(4)为了减少磁弹性能量，磁区沿基本磁化方向分为较小的磁区，而磁区的分割增加了域壁能量，两种能量平衡后，能量形成最小且稳定的闭合磁区。如图D所示，单晶磁域结构图，3.8铁磁金属的技术磁化过程，技术磁化过程实质上是磁场作用于磁域的过程，即外部磁场将每个磁域的磁矩向外部磁场相同方向移动的过程，技术磁化过程如下。(1)外部磁场弱时，自发磁化方向与外部磁场方向锐角的磁球容易磁化，扩大。域壁移动，这一阶段由于外部磁场弱，可以可逆移动区(2)，因为磁化曲线比较平，磁场和钝感式部

11、分磁球产生瞬时旋转，使其方向转向磁场和锐角容易磁化的方向，大量原子瞬间改变方向，表示强磁化，这一阶段不能可逆，因为外部磁场强。(3)外部磁场不断增加，整个单域晶体的磁矩方向逐渐朝向外部磁场方向。此过程称为磁区旋转，即磁区旋转区域。当晶体的单域磁化矢量与外部磁场方向完全一致时，达到饱和状态，完成整个磁化过程。磁化曲线分割图，影响3.9金属和合金铁磁性的因素，外部因素：温度、应力。内部因素：赵寅成、组织和热处理状态等(组织敏感性参数和组织敏感性参数)组织的不敏感磁性参数包括饱和磁化强度Ms、磁致伸缩系数S、居里点C、磁各向异性常数K等。其中Ms和S是铁磁性体自发磁化强度的函数。特别是，它们与原子结

12、构、合金成分、上层结构和构成的数量有关，与构成上的晶粒大小、分布和组织形式无关。c只与构成相的成分和结构相关。k与组织无关，只取决于构成相的光栅结构。对组织敏感的磁性参数包括矫顽力Hc、电导率、剩余磁化强度Mr、剩余磁感应Br等。它们都与构成相的晶粒大小、分布情况及组织形态有密切的关系。它们都与构成相的晶粒大小、分布情况及组织形态有密切的关系。1，温度的影响，温度上升加剧了原子热运动，原子磁矩的无序排列倾向增加了，Ms下降了，校准力减小了。温度大于居里点是铁磁，小于居里点是顺磁性。温度升高会导致应力松弛，有利于磁化，初始投资率增加(图24)。但是温度太高，B降低，磁化率降低(图320)，2，应

13、力变形晶粒及杂质的影响在应力与磁变形匹配时起到促进磁化的作用，反之则起到阻碍作用。变形是点阵扭曲和扭曲，晶粒断裂，内部应力增加，使技术磁化变得困难。结晶和退火是相反的晶粒细化，晶粒细化，晶界越多，磁化阻力越大，晶界也就越有缺陷。杂质以光栅畸变增加磁化强度，3，合金成分和组织的影响，4，组织磁性，3.15材料磁性分析的应用，1，钢中剩余奥氏体量的测定1，低碳钢，低合金钢是强铁磁。淬火样品的饱和磁化强度(Ms)s与马氏体数成正比。M=(Ms)s/(Ms)m (Ms)s测试的饱和磁化强度(Ms)m纯马氏体样品的饱和磁化强度，2，高碳高合金钢组织：马氏体残余奥氏体碳化物马氏体强铁磁相，残余奥氏体盒也就是说，马氏体分析稳定的碳化物，降低磁饱和强度。200-300曲线上升，主要是顺磁性残余奥氏体分解，变成强磁体上的马氏体。300-350剩余奥氏体分解完成，马氏体分