第三章_材料磁學性能

1、第三章第三章 材料的磁學性能材料的磁學性能 磁性不只是一個宏觀的物理量，而且與物質(zhì)的微磁性不只是一個宏觀的物理量，而且與物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。它不僅取決于物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)，還觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。它不僅取決于物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)，還取決于原子間的相互作用取決于原子間的相互作用鍵合情況、晶體結(jié)構(gòu)。鍵合情況、晶體結(jié)構(gòu)。因此，研究磁性是研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要方法之一。因此，研究磁性是研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要方法之一。 本章主要介紹有關(guān)磁性理論、磁性的現(xiàn)象和磁性本章主要介紹有關(guān)磁性理論、磁性的現(xiàn)象和磁性分析方法在材料研究中的主要應(yīng)用。分析方法在材料研究中的主要應(yīng)用。 磁化磁化 物質(zhì)受到磁場的作用而表現(xiàn)出一定的磁性。

2、物質(zhì)受到磁場的作用而表現(xiàn)出一定的磁性。 能夠磁化的物質(zhì)。能夠磁化的物質(zhì)。 磁介質(zhì)磁介質(zhì)電磁學中物質(zhì)磁化理論的兩種觀點：電磁學中物質(zhì)磁化理論的兩種觀點：（1） 分子環(huán)流觀點。分子環(huán)流觀點。 （2） 等效磁荷觀點。等效磁荷觀點。分子電流觀點分子電流觀點安培提出分子環(huán)流假說：安培提出分子環(huán)流假說： 物質(zhì)中的每個磁分子都相當一個環(huán)形電流，即是物質(zhì)中的每個磁分子都相當一個環(huán)形電流，即是一個分子磁矩。一個分子磁矩。無外磁場時：熱運動、雜亂無章，不顯宏觀磁性。無外磁場時：熱運動、雜亂無章，不顯宏觀磁性。 有外磁場時：沿磁場方向排列，顯現(xiàn)宏觀磁性。有外磁場時：沿磁場方向排列，顯現(xiàn)宏觀磁性。 磁化強度：磁化強度

3、：單位體積的總磁矩。單位體積的總磁矩。 mPMV 等效磁荷觀點等效磁荷觀點 材料的的每個磁分子就是一個磁偶極子。材料的的每個磁分子就是一個磁偶極子。無外磁場時：熱運動、雜亂無章，不顯宏觀磁性。無外磁場時：熱運動、雜亂無章，不顯宏觀磁性。 有外磁場時：沿磁場方向排列，顯現(xiàn)宏觀磁性。有外磁場時：沿磁場方向排列，顯現(xiàn)宏觀磁性。 磁極化強度：磁極化強度：單位體積的總磁偶極矩。單位體積的總磁偶極矩。 mjJV 磁化強度和磁極化強度：磁化強度和磁極化強度：JM 00真空的磁導(dǎo)率。真空的磁導(dǎo)率。磁化率：磁化率：磁化強度與外磁場強度的比值。與材料和溫磁化強度與外磁場強度的比值。與材料和溫度有關(guān)度有關(guān) MH 材

4、料磁化強度與外磁場強度和溫度有關(guān)。材料磁化強度與外磁場強度和溫度有關(guān)。 MH 磁化率磁化率介質(zhì)磁化后必然影響介質(zhì)所在處的磁場介質(zhì)磁化后必然影響介質(zhì)所在處的磁場 BH 00BBBHM 000HH()H 0001加入介質(zhì)前的磁感應(yīng)強度。加入介質(zhì)前的磁感應(yīng)強度。 加入介質(zhì)后的強度磁感應(yīng)強度。加入介質(zhì)后的強度磁感應(yīng)強度。 令：令： r() 001則：則： BH 磁導(dǎo)率磁導(dǎo)率材料內(nèi)磁感應(yīng)強度與磁場強度的比值。材料內(nèi)磁感應(yīng)強度與磁場強度的比值。 rB()H 001相對磁導(dǎo)率相對磁導(dǎo)率rBB()HB 001物質(zhì)的磁性分類物質(zhì)的磁性分類 根據(jù)物質(zhì)的磁化率，把物質(zhì)的磁性大致分為抗磁根據(jù)物質(zhì)的磁化率，把物質(zhì)的磁性

5、大致分為抗磁體、順磁體、反鐵磁體、鐵磁體和亞鐵磁體。體、順磁體、反鐵磁體、鐵磁體和亞鐵磁體。1.1.抗磁體：抗磁體：為負值，很小，約在為負值，很小，約在1010-6-6數(shù)量級。數(shù)量級。2.2.順磁體：順磁體：為正值，很小，約在為正值，很小，約在1010-3-31010-6-6數(shù)量數(shù)量 級。級。3.3.反鐵磁體：反鐵磁體：為正值，很小。為正值，很小。4.4.鐵磁性體：鐵磁性體：為正值，很大，約在為正值，很大，約在101010106 6數(shù)量數(shù)量 級。級。5.5.亞鐵磁體：亞鐵磁體：為正值，沒有鐵磁性體大。為正值，沒有鐵磁性體大。 物質(zhì)的磁性分類、磁性特征及磁化機制？物質(zhì)的磁性分類、磁性特征及磁化機

6、制？ 物質(zhì)的磁化強度、磁感應(yīng)強度、磁導(dǎo)率等磁參量物質(zhì)的磁化強度、磁感應(yīng)強度、磁導(dǎo)率等磁參量隨磁場強度增大的變化曲線。隨磁場強度增大的變化曲線。磁化曲線磁化曲線鐵磁體的三種磁化曲線鐵磁體的三種磁化曲線BH 鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線與過程有關(guān)。鐵磁性和亞鐵磁性物質(zhì)的磁化曲線與過程有關(guān)。 抗磁、順磁和反鐵磁物質(zhì)的磁化曲線與過程無關(guān)?？勾拧㈨槾藕头磋F磁物質(zhì)的磁化曲線與過程無關(guān)。飽和磁化飽和磁化飽和磁化強度飽和磁化強度飽和磁感應(yīng)強度飽和磁感應(yīng)強度磁滯回線磁滯回線 磁化強度或磁感應(yīng)強度隨磁場強度變化一周形成磁化強度或磁感應(yīng)強度隨磁場強度變化一周形成的閉合曲線。的閉合曲線。時，時， 的狀態(tài)的狀態(tài)退磁狀

7、態(tài)退磁狀態(tài)H 0M 0技術(shù)磁化技術(shù)磁化 從退磁狀態(tài)直到飽和之的磁化過程。從退磁狀態(tài)直到飽和之的磁化過程。起始磁導(dǎo)率起始磁導(dǎo)率時的磁導(dǎo)率。時的磁導(dǎo)率。H 0iHBlimH 0最大磁導(dǎo)率最大磁導(dǎo)率max 弱磁場下工作的軟磁材料，要弱磁場下工作的軟磁材料，要求有較大的起始磁導(dǎo)率，信號變壓求有較大的起始磁導(dǎo)率，信號變壓器、電感的磁芯。器、電感的磁芯。 強磁場下工作的軟磁材料，要強磁場下工作的軟磁材料，要求有較大的最大磁導(dǎo)率。求有較大的最大磁導(dǎo)率。剩余磁化強度剩余磁化強度剩余磁感應(yīng)強度剩余磁感應(yīng)強度rrM ,B矯頑力矯頑力 去掉磁場后的去掉磁場后的 時所需要的退磁場強度時所需要的退磁場強度 鐵磁和亞鐵磁

8、材料在技術(shù)磁鐵磁和亞鐵磁材料在技術(shù)磁化過程中存在不可逆過程，磁場化過程中存在不可逆過程，磁場減小時減小時 和和 變化滯后。變化滯后。磁滯磁滯MBM,B 00CH 和和 隨最大磁場強度的減隨最大磁場強度的減小而減小。小而減小。 磁滯回線所圍的面積。磁滯回線所圍的面積。磁滯損耗磁滯損耗 通常所說的磁滯回線及其表征參數(shù)是指磁化強度通常所說的磁滯回線及其表征參數(shù)是指磁化強度隨磁場強度的變化的曲線和參數(shù)。隨磁場強度的變化的曲線和參數(shù)。rMCH 通過逐漸減小最大磁場的強通過逐漸減小最大磁場的強度，可實現(xiàn)退磁。度，可實現(xiàn)退磁。 、Mr和和Hc都是對材料組織敏感的磁參數(shù)，決定于都是對材料組織敏感的磁參數(shù)，決定

9、于材料的組成、顯微組織、形態(tài)和分布等因素的影響。材料的組成、顯微組織、形態(tài)和分布等因素的影響。不同的磁性材料的應(yīng)用范圍也不同。不同的磁性材料的應(yīng)用范圍也不同。 具有小具有小Hc值、高值、高的瘦長形磁滯回線的材料，適宜的瘦長形磁滯回線的材料，適宜作軟磁材料。作軟磁材料。 具有大的具有大的Mr和和Hc、低、低的短粗形磁滯回線的材料適的短粗形磁滯回線的材料適宜作硬磁宜作硬磁(永磁永磁)材料。材料。 而而MrMs從接近于從接近于 1 的矩形磁滯回線的材料，即的矩形磁滯回線的材料，即矩磁材料則可作為磁記錄材料。矩磁材料則可作為磁記錄材料。 原子由原子核和核外電子構(gòu)成，核外電子在各自原子由原子核和核外電子

10、構(gòu)成，核外電子在各自的軌道上繞核運動的同時還進行自轉(zhuǎn)運動。因此，分的軌道上繞核運動的同時還進行自轉(zhuǎn)運動。因此，分別具有別具有軌道磁矩軌道磁矩和和自旋磁矩自旋磁矩。lOrbitallSpin軌道磁矩軌道磁矩自旋磁矩自旋磁矩 原子核也進行自轉(zhuǎn)運動也有其原子核也進行自轉(zhuǎn)運動也有其自旋磁矩，但與電自旋磁矩，但與電子磁矩相比很小，通常被忽略。子磁矩相比很小，通常被忽略。原子磁矩原子磁矩 原子的磁矩主要由電子磁矩組成，而電子磁矩是原子的磁矩主要由電子磁矩組成，而電子磁矩是軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和軌道磁矩和自旋磁矩的矢量和。 原子中的電子按不同的殼層進行排列，當電子殼原子中的電子按不同的殼層進行排列，當電

11、子殼層被排滿時電子的軌道運動和自旋運動占據(jù)了所有可層被排滿時電子的軌道運動和自旋運動占據(jù)了所有可能方向，電子總的角動量為零，電子的總磁矩為零能方向，電子總的角動量為零，電子的總磁矩為零。 當某一當某一電子殼層未被排滿時，這個電子殼層的電電子殼層未被排滿時，這個電子殼層的電子總磁矩才不為零，該原子對外就要顯示磁矩。子總磁矩才不為零，該原子對外就要顯示磁矩。 原子的磁矩為零的物質(zhì)對外不顯示磁性原子的磁矩為零的物質(zhì)對外不顯示磁性。但在外。但在外磁場的作用下原子的磁矩不再為零，對外表現(xiàn)出一定磁場的作用下原子的磁矩不再為零，對外表現(xiàn)出一定的抗磁性。的抗磁性。抗磁性產(chǎn)生的原因抗磁性產(chǎn)生的原因 電子的軌道運

12、動在外磁場的作用下產(chǎn)生了附加磁電子的軌道運動在外磁場的作用下產(chǎn)生了附加磁矩矩。 附加磁矩附加磁矩與外磁場方向相反，物質(zhì)磁化后內(nèi)部產(chǎn)與外磁場方向相反，物質(zhì)磁化后內(nèi)部產(chǎn)生與外場方向相反的附加磁場，對外表現(xiàn)出抗磁性。生與外場方向相反的附加磁場，對外表現(xiàn)出抗磁性。磁化強度與磁場強度方向相反，磁化率磁化強度與磁場強度方向相反，磁化率10-4.cm，而鐵，而鐵氧體的電阻率可達氧體的電阻率可達=11012 .cm。 低電阻會引起過大的渦流損耗，該項低電阻會引起過大的渦流損耗，該項損耗損耗正比于正比于D2f/（D為蕊厚度，為蕊厚度，f為交流場頻率，為交流場頻率， 為電阻率）。磁性材料為電阻率）。磁性材料 越低

13、，應(yīng)用頻率越高，越低，應(yīng)用頻率越高，渦流損耗越大。因此，在磁性元件中采用高電渦流損耗越大。因此，在磁性元件中采用高電阻率的大塊鐵氧體磁蕊是一項相當大的節(jié)約，阻率的大塊鐵氧體磁蕊是一項相當大的節(jié)約，它即使應(yīng)用到光頻它即使應(yīng)用到光頻61014HZ也未表現(xiàn)出過大的也未表現(xiàn)出過大的渦流損耗。渦流損耗。l3.11.1 射頻鐵氧體按用途的分類射頻鐵氧體按用途的分類1. 約約1MHz以下頻率用的鐵氧體以下頻率用的鐵氧體2. 在在1MHz以上頻率用的鐵氧體以上頻率用的鐵氧體3. 射頻振蕩電路調(diào)諧用的鐵氧體射頻振蕩電路調(diào)諧用的鐵氧體4. 做非線性電路元件用的鐵氧體做非線性電路元件用的鐵氧體5. 其他有更重意義的

14、鐵氧體其他有更重意義的鐵氧體l3.11.2 3.11.2 低頻鐵氧體低頻鐵氧體 1 1、在低頻下，、在低頻下，變壓器變壓器用鐵氧體的主要要求是用鐵氧體的主要要求是高磁導(dǎo)率高磁導(dǎo)率，以便減少雜散電感和做成盡可能小的，以便減少雜散電感和做成盡可能小的尺寸，損失并不重要。尺寸，損失并不重要。 2 2、電視接收機線路中的變壓器要求變換大信、電視接收機線路中的變壓器要求變換大信號的各種應(yīng)用場合，要求有高的號的各種應(yīng)用場合，要求有高的磁感應(yīng)強度和低磁感應(yīng)強度和低矯頑力矯頑力。 3 3、濾波器線圈的鐵氧體要求是應(yīng)有小的損失、濾波器線圈的鐵氧體要求是應(yīng)有小的損失角正切和小的可變性及高磁導(dǎo)率。角正切和小的可變性

15、及高磁導(dǎo)率。l鐵氧體的磁損耗包括磁滯和渦流損耗兩部分，鐵鐵氧體的磁損耗包括磁滯和渦流損耗兩部分，鐵氧體的氧體的B隨隨H變化的磁滯回線可決定磁滯損耗：變化的磁滯回線可決定磁滯損耗：lah可小到可小到210-11T-1，在起始磁率范圍不出現(xiàn)磁，在起始磁率范圍不出現(xiàn)磁滯損耗。滯損耗。2)(tanmaxBah磁滯l3.11.3 3.11.3 高頻鐵氧體高頻鐵氧體 在在1-100MHz1-100MHz的頻率范圍內(nèi)主要采用的頻率范圍內(nèi)主要采用Ni-ZnNi-Zn鐵鐵氧體，磁導(dǎo)率頻散的頻率隨著氧體，磁導(dǎo)率頻散的頻率隨著NiNi的含量增加而增的含量增加而增高。高。 欲使欲使Ni-ZnNi-Zn鐵氧體的性能有實

16、質(zhì)性的改善，鐵氧體的性能有實質(zhì)性的改善，必須搞清必須搞清頻散的疇壁共振與自旋共振兩種機制。頻散的疇壁共振與自旋共振兩種機制。由于疇壁可以存在于不同的位置，故其共振的頻由于疇壁可以存在于不同的位置，故其共振的頻譜通常相當寬，損耗可延伸到相當?shù)偷念l率。譜通常相當寬，損耗可延伸到相當?shù)偷念l率。 矩磁鐵氧體磁心之所以能存儲信息，是由矩磁鐵氧體磁心之所以能存儲信息，是由于它具有于它具有+Br和和-Br這兩個同樣穩(wěn)定的剩磁狀這兩個同樣穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)。它需要加一個超過磁心所固有的閥場態(tài)。它需要加一個超過磁心所固有的閥場HK的外磁場，才能使磁心由一個剩磁狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到的外磁場，才能使磁心由一個剩磁狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個

17、剩磁狀態(tài)。另一個剩磁狀態(tài)。剩磁比：剩磁比：Br/BM，實用的矩磁鐵氧體的最大值，實用的矩磁鐵氧體的最大值0.9比打擾：比打擾：HK/Hm，當閥場，當閥場HK（回線的膝）達到（回線的膝）達到飽和值以后，打擾比就隨驅(qū)動場的增大而迅速飽和值以后，打擾比就隨驅(qū)動場的增大而迅速降低。降低。0.6充許電流漂移、溫度漂移和其他干充許電流漂移、溫度漂移和其他干擾。擾。 3.12 矩磁鐵氧體矩磁鐵氧體 磁性的測量包括對組織結(jié)構(gòu)不敏感量（本磁性的測量包括對組織結(jié)構(gòu)不敏感量（本征參量）如征參量）如Ms、K、s、Tc和組織結(jié)構(gòu)敏感量和組織結(jié)構(gòu)敏感量（非本征量）如（非本征量）如Hc、Br、X、等的測量，以等的測量，以及

18、在交變磁場下的磁參數(shù)測量。前者為測量直及在交變磁場下的磁參數(shù)測量。前者為測量直流磁場下得到的基本磁化曲線、磁滯回線及由流磁場下得到的基本磁化曲線、磁滯回線及由此定義的各種磁參數(shù)，如此定義的各種磁參數(shù)，如Ms、 Hc、Br、以以及最大磁能積及最大磁能積(BH)max等，而后者則是測量軟等，而后者則是測量軟磁材料在交變磁場中的性能，如在各種磁材料在交變磁場中的性能，如在各種B、f下下的的和損耗。和損耗。1 1、閉路試樣的沖擊法測量、閉路試樣的沖擊法測量2 2、開路試樣的沖擊法測量、開路試樣的沖擊法測量3 3、靜態(tài)磁性的熱磁儀法測量、靜態(tài)磁性的熱磁儀法測量1 1、光電放大磁通計、光電放大磁通計2 2

19、、電子積分運算放大器、電子積分運算放大器3 3、數(shù)字磁通計、數(shù)字磁通計3.14.1 3.14.1 指示儀表測量法指示儀表測量法動態(tài)磁化曲線的測量動態(tài)磁化曲線的測量材料損耗的功率測量法材料損耗的功率測量法3.14.2 3.14.2 示波器法示波器法3.14.3 3.14.3 電橋法電橋法3.14.4 3.14.4 動態(tài)磁特性的自動測量動態(tài)磁特性的自動測量 3.15 3.15 材料磁性分析的應(yīng)用材料磁性分析的應(yīng)用 材料磁性分析對研究鋼的相變動力學、淬材料磁性分析對研究鋼的相變動力學、淬火鋼中的殘余奧氏體、淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變、建立合火鋼中的殘余奧氏體、淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變、建立合金的相圖、研究合金的時效，

20、以及合金的結(jié)構(gòu)變化金的相圖、研究合金的時效，以及合金的結(jié)構(gòu)變化等是一種非常有效的方法。等是一種非常有效的方法。 對碳鋼和低合金鋼對碳鋼和低合金鋼 對高碳高合金鋼對高碳高合金鋼3.15.1 3.15.1 測定鋼中的殘余奧氏體量測定鋼中的殘余奧氏體量3.15.2 研究淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變研究淬火鋼的回火轉(zhuǎn)變 淬火鋼在回火的過程中，無論是馬氏體還是淬火鋼在回火的過程中，無論是馬氏體還是殘余奧氏體都要發(fā)生分解而引起飽和磁化強度殘余奧氏體都要發(fā)生分解而引起飽和磁化強度MsMs的變化。由于多相系統(tǒng)的的變化。由于多相系統(tǒng)的MsMs服從相加原則，故可服從相加原則，故可采用采用MsMs隨回火溫度的變化作為相分析的根

21、據(jù)，從隨回火溫度的變化作為相分析的根據(jù)，從而確定不同相發(fā)生分解的溫度區(qū)間，判定成相的而確定不同相發(fā)生分解的溫度區(qū)間，判定成相的性質(zhì)。性質(zhì)。3.15.3 3.15.3 研究過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變研究過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變 鋼的飽和磁化強度鋼的飽和磁化強度MsMs與過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)與過冷奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物的數(shù)量成正比，因此研究過冷奧氏體分解過程物的數(shù)量成正比，因此研究過冷奧氏體分解過程中各相的相對數(shù)量的變化時，可選用中各相的相對數(shù)量的變化時，可選用MsMs作測量參作測量參數(shù)。數(shù)。3.15.4 3.15.4 建立合金的相圖建立合金的相圖 置換式固溶體合金的成分對矯頑力基本無影置換式固溶體合金的成分對矯頑

22、力基本無影響，但合金的組織對矯頑力有顯著影響。當合金響，但合金的組織對矯頑力有顯著影響。當合金成分超過最大固溶度而生成第二相時，矯頑力將成分超過最大固溶度而生成第二相時，矯頑力將顯著增高，因此根據(jù)矯頑力的變化情況很容易確顯著增高，因此根據(jù)矯頑力的變化情況很容易確定合金的最大固溶度。定合金的最大固溶度。本章重點掌握內(nèi)容：本章重點掌握內(nèi)容：磁介質(zhì)的分類？各類磁介質(zhì)的磁性來源及磁化機制？磁磁介質(zhì)的分類？各類磁介質(zhì)的磁性來源及磁化機制？磁化率、磁導(dǎo)率、磁化強度等磁參量隨磁場強度及溫度的化率、磁導(dǎo)率、磁化強度等磁參量隨磁場強度及溫度的變化規(guī)律（包括磁轉(zhuǎn)變溫度以上）？（圖）變化規(guī)律（包括磁轉(zhuǎn)變溫度以上）？（圖）鐵磁體的自發(fā)磁化？磁疇的形成及結(jié)構(gòu)？鐵磁體的自發(fā)磁化？磁疇的形成及結(jié)構(gòu)？鐵磁體技術(shù)磁化的過程及物理機制？鐵磁體技術(shù)磁化的過程及物理機制？晶粒尺寸和雜質(zhì)對鐵磁體磁性的影響？晶粒尺寸和雜質(zhì)對鐵磁體磁性的影響？鐵磁、亞鐵磁材料的動態(tài)磁化特性？鐵磁、亞鐵磁材料的動態(tài)磁化特性？磁學的一些基本概念和基本現(xiàn)象磁學的一些基本概念和基本現(xiàn)象第二章重點掌握內(nèi)容：