《材料物理性能》王振廷版課后答案

1、試說明下列磁學參量的定義和概念：磁化強度、矯頑力、飽和磁化

強度、磁導率、磁化率、剩余磁感應強度、磁各向異性常數、飽和磁

致伸縮系數。

a、磁化強度：一個物體在外磁場中被磁化的程度，用單位體積內磁矩的多少來衡

量，成為磁化強度M

b、矯頑力He:一個試樣磁化至飽和，如果要產0或B=0,則必須加上一個反向

磁場He,成為矯頑力。

c、飽和磁化強度：磁化曲線中隨著磁化場的增加，磁化強度M或磁感強度B開

始增加較緩慢，然后迅速增加，再轉而緩慢地增加，最后磁化至飽和。Ms成為飽

和磁化強度，Bs成為飽和磁感應強度。

d、磁導率：p=B/H,表征磁性介質的物理量，p稱為磁導率。

e、磁化率：從宏觀上來看，物體在磁場中被磁化的程度與磁化場的磁場強度有關。

M=x-H,X稱為單位體積磁化率。

f、剩余磁感應強度：將一個試樣磁化至飽和，然后慢慢地減少H,則M也將減少,

但M并不按照磁化曲線反方向進行，而是按另一條曲線改變，當H減少到零時，

M=Mr=EBr=4nMro(Mr、Br分別為剩余磁化強度和剩余磁感應強度)

g、磁滯消耗：磁滯回線所包圍的面積表征磁化一周時所消耗的功，稱為磁滯損耗

Q(J/m3)

h、磁晶各向異性常數：磁化強度矢量沿不同晶軸方向的能量差代表磁晶各向異性

能，用Ek表示。磁晶各向異性能是磁化矢量方向的函數。

i、飽和磁致伸縮系數：隨著外磁場的增強，致磁體的磁化強度增強，這時|八|也隨

之增大。當H=Hs時，磁化強度M達到飽和值，此時人二人s,稱為飽和磁致伸縮

所致。

2、計算Gd3+和Cr3+的自由離子磁矩Gd3+的離子磁矩比Cr3+離子

磁矩高的原因是什么

6.計算:FU+、Fe3\Mn2\Ni2\Co2\

Ti4\與Cr3，Cu2\Zn2?等離子在物質中

的磁矩

n即過渡族元素組成物質時，其離子磁矩主要由電子自

旋作貢獻，而軌道角動量不作貢獻，這是“軌道角動

量猝滅”所致。

a所以有幾個未成對電子，就有幾個pB。

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electronicspinorientation

離子元素原子電子排布3d軌道孤對電子數基態(tài)磁矩

FA3d64s23d644PB

Fe34"3d64s23d555pB

MM+3d54S23d555pB

Cr2+3d54S13d444〃B

Co2+3d74s23d733PB

Ni2+3d84s23d822出

Gd3+有7個未成對電子，Cr3+3個未成對電子.

所以，Gd3+的離子磁矩為7|JB,03+的離子磁矩為3|JB.

3、過渡族金屬晶體中的原子(或離子)磁矩比它們各自的自由離子磁

矩低的原因是什么

I

4、試繪圖說明抗磁性、順磁性、鐵磁性物質在外場B=0的磁行為。

5、分析物質的抗磁性、順磁性、反鐵磁性及亞鐵磁性與溫度之間的

關系

答：(【)抗磁性是由外磁場作用下電子循軌運動產生的附加磁矩所造成的，與溫度無關，或隨

溫度變化很小。

(2)根據順磁磁化率與溫度的關系：可以把順磁體分為三類，一是正常順磁體，其原子磁化率

與溫度成反比；二是磁化率與溫度無關的順磁體；三是存在反鐵磁體轉變的順磁體，當溫度

高于一定的轉變溫度TN時，它們和正常順磁體一樣服從局里-外斯定律，當溫度低于TN時,

它們的原子磁化率隨著溫度下降而減小，當T-OK時，磁化率趨于常數。

(3)反鐵磁性物質的原子磁化率在溫度很高時很小，隨著溫度逐漸降低，磁化率逐漸增大，溫

度降至某一溫度TN時，磁化率升至最大值；再降低溫度，磁化率又減小。

(4)亞鐵磁性物質的原子磁化率隨溫度的升高而逐漸降低。

6、什么是自發(fā)磁化鐵磁體形成的條件是什么有人說“鐵磁性金屬沒有

抗磁性”，對嗎為什么

?

a、組成鐵磁性材料的原子或離子有未滿殼層的電子，因此有固有原子磁矩。在鐵磁性材料中，

相鄰離子或原子的未滿殼層的電子之間有強烈的交換耦合作用，在低于居里溫度并且沒有外

加磁場的情況下，這種作用會使相鄰原子或離子的磁矩在一定區(qū)域內趨于平行或者反平行排

列，處于自行磁化的狀態(tài)，稱為自發(fā)磁化。

b、鐵磁性材料具有一個磁性轉變溫度:居里溫度Tc。一般自發(fā)磁化隨環(huán)境溫度的升高而逐漸

減小，超過居里溫度Tc后全部消失，此時材料表現出順磁性，材料內部的原子磁矩變?yōu)榛靵y

排列。只有當TvTc時，組成鐵磁性材料的原子磁矩在磁疇內才平行或反平行排列，材料中

有自發(fā)磁化。

材料內部相鄰原子的電子之間存在一種來源于靜電的相互交換作用，由于這種交換作用對系

統能量的影響，迫使各

原子的磁矩平行或反平行排列，形成自發(fā)磁化。

C、材料的磁性來源于電子的軌道運動和電子的自旋運動。所有的材料處于磁場中時，外磁場

都會對電子軌道運動回路附加有洛倫茲力，使材料產生一種抗磁性，其磁化強度和磁場方向

相反。

抗磁性是電子軌道運動感生的，因此所有物質有抗磁性。但并非所有物質都是抗磁體，這是

因為原子往往還存在著軌道磁矩和自旋磁矩所組成的順磁磁矩。原子系統具有總磁矩時，只

有那些抗磁性大于順磁性的物質才成為抗磁體。

7、分子場的本質是什么在鐵磁體中起什么作用

答：分子場的本質：分子場的性質不是磁場，量子力學告訴我們，分子場來源于相鄰原子中

電子間的交換作用，它導致了磁有序。從本質上講，這是屬于靜電作用。

在鐵磁體中的作用：鐵磁物質內部存在很強的“分子場它使原子磁矩同向平行排列，即自

發(fā)磁化到飽和；鐵磁體的自發(fā)磁化分成若干磁疇，由于磁體中各磁疇的磁化方向不一致，所

以大塊磁體對外不顯示磁性。

8、試用磁疇模型解釋軟磁材料的技術磁化過程。

1.技術磁化過程

前面說過磁化曲線可以分為3個階段,這對應著3種不同的磁化過程：弱磁場中為起始

廢化階段；中等磁場中為不可逆磁化階段：較強磁場中為磁化緩慢增加階段,3個階段分別

對應著不同的磁化機制.為了說明磁化機制,取4個成封閉結構的磁痛，如圖916.在磁化

的起始階段,磁化矢fit與磁場成銳角的磁疇磁位能較低，而與磁場成飩角的磁畸磁位能較

高.由「磁鶴壁上的自旋磁矩本來就處于高能狀態(tài),此時受到磁場的影響很容易發(fā)生轉動.

磁畸壁有一定的厚度,它不受磁場的影響，所以磁馬壁自旋磁矩轉動的結果相當于碳嗝唾移

動，使與磁場成銳角的磁畸擴大，而與磁場成鈍角的磁畸縮小，于是磁畸的磁化矢量之和在

磁場方向上的投影便大于零，使佚磁體宏觀上衰現出有微弱的碳化.當磁場強度沿大并超過

一定員時便進入了不可逆轉磁化階段.此時閡曲壁隨著磁場的增大而快速移動?稱為磁疇壁

的躍遷,結果使大塊的磁明從與磁場夾角較大的難磁化方

向轉向夾角較小的易磁化方向，因此磁化進行得很強烈.

磁化曲線急劇上升.當磁場增加到更演時，所有的自旋磁

矩通過磁疇壁的跳動，轉向了與磁場成最小夾角的易磁化

方向.磁場強度再繼續(xù)增大時，便進入磁化的磁疇轉向階

段.這一階段主要是設角磁端進一步轉向外磁場方向的過

程.由于銳角磁畸的磁矩方向是易磁化方向，而現在要轉

向的外磁場方向卻是非易磁化方向,甚至有可能是最難磁

化方向,因此這一轉變必須克服磁各向舁性能，故磁的轉

動很困難，導致磁化強度緩慢上升，并且只有在外加磁場

圖916磁化機韻示意圖

很大時，才能將所有銳角做躊轉向與外磁場一致的方向.

如果此時將外磁場減小，磁矩很容易從外磁場方向轉回到餞角磁嬲的方向.故將磁矩由銳角

轉向外磁場方向的轉動,稱為避疇的可逆轉動.

9、磁疇大小和結構有哪些條件決定。

(°

疇結構受到

疇壁能E?

磁晶各向異性能Ek

退磁場融d

U9

的制約。

其中退磁場能是鐵磁體分成疇的動力，

飛其它能量將決定磁疇的形狀I、尺寸和取向。

10.哪些磁性能是組織敏感的舉例說明成分、熱處理、冷變形、晶粒

取向等因素對磁性的影響

從金屬內部的因素考查，可把鐵碳參量分為兩類，即組織敏感性參量和組織不敏感參量。組

織和結構不敏感參量不受組織和結構的影響或影響很小，屬于這類參量的有MS（飽和磁化強

度），入S（飽和磁致伸縮系數），K（磁晶各向異性參數）和Tc（居里溫度）等，它們與合金的成

分和鐵磁相性質及數量有關。組織和結構敏感參量強烈地受組織、結構因素以及應力狀態(tài)的

影響，屬于這類參量的有He（矯頑力），口（磁導率），x（磁化率）和Br（乘|余磁感應強度）等，它

們均與技術磁化有關。

1）冷塑性變形會使組織敏感的鐵磁性參量發(fā)生變化。

隨著形變度的增加，磁導率|ini減小而矯頑力HC增高。冷塑性變形不影響飽和磁

化強度MS

2）形成形變織構和再結晶織構，則磁性會呈現明顯的方向性。

當硅鋼片在再結晶退火后形成〈100〉｛001｝的立方織構時，沿軋制方向和垂

直軋制方向均為易磁化方向，因而能獲得最優(yōu)良的磁性，所以立方織構是最理想

的織構。

3）晶界處原子排列不規(guī)則，晶界附近位錯密度也較高，造成點陣畸變和應力場，

阻礙％壁的移動和轉動。晶粒越細，相對晶界影響區(qū)越大，從而使磁導率越低，

矯頑力越高。

例如，很純并經過真空退火的純鐵，當晶粒直徑分別為6.3、0.6、0.1mm時，

磁導率pm分別為8200、6970、4090（亨/米）.

11、什么叫磁彈性能他受哪些因素影響

物體在磁化時伸長或收縮受到限制，則在物體內部形成應力，從而內部將產生彈性能，即磁

彈性能。

物體內部的缺陷、雜質等都可以增加其磁彈性能。

對于多晶體而言，若磁彈性能是由于應力的存在而引起的，那么磁化方向和應力方向的夾角、

材料所受的應力、飽和磁致伸縮系數和單位體積中的磁彈性能都會影響該磁彈性能。

12、技術磁化過程可分為那幾個階段，各個技術磁化階段的特點是什

么什么叫單疇體單晶體一定是單疇體嗎

第一部分0A是可逆磁化過程可逆是指磁場減少到零時M沿原曲線減少到零在可逆磁化

階段磁化曲線是線性的沒有剩磁和磁滯。在金屬軟磁材料中此階段以可逆壁移為主。

第二部分AB是不可逆磁化階段此階段內M隨磁化場急劇地增加M與H曲線不再是線

性。此階段中若把磁場減少到零M不再沿原曲線減少到零而出現剩磁這種現象成為磁滯

巴克豪森指出這一階段由許多M的跳躍性變化組成是疇壁的不可逆跳躍引起的。

第三部分BC是磁化矢量的轉動過程第二階段結束后疇壁消失整個鐵磁體成為一個單疇

體但其內部磁化強度方向還與外磁場方向不一致。在這一階段內隨磁化場進一步增大磁矩

逐漸轉動到與外磁場一致的方向當磁化到S點時磁體已磁化到技術飽和這時的磁化強度

稱飽和磁化強度

Mso

第四部分自C點以后M-H曲線已近似于水平線而M-H曲線大體上成為直線自C點繼續(xù)增

大外磁MS還稍有增加這一過程稱為順磁磁化過程。

（注：書上為三個過程，但相對而言，我認為這個答案更為合理和完整。若有疑慮，可省去

第四部分）

說法一、具有強磁化強度的顆粒（如磁鐵礦）其自發(fā)能隨著體積增大能夠迅速增大。在某些非

常小的顆粒中，這些電子自旋最終定向排列。這種顆粒被均勻磁化，并被稱為單疇（single

domain,SD）O

說法二、多疇的大塊材料在很強的外磁場的作用下，被磁化至飽和狀杰，整塊材料內的自發(fā)

磁化強度基本上取在一個磁化方向上，形成一個單疇。

單晶體不一定是單疇體

假如單晶半徑為R,單疇體的臨界尺寸為r,如果R>r,則不是單疇結構；如果R<r,則肯定是

單疇結構。也就是說，單疇體有一個臨界尺寸，但臨界尺寸r不一定是單晶尺寸。當R<rz

則肯定是單疇結構。

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12、技術磁化過程分為哪幾個階段各個技術磁化階段的特點是什么

答：第一部分（0A）是可逆磁化過程：可逆是指磁場減少到零時，M沿原曲線減少到零，在

可逆磁化階段，磁化曲線是線性的，沒有剩磁和磁滯。在金屬軟磁材料中，此階段以可逆壁

移為主。

第二部分（AB）是不可逆磁化階段：此階段內，M隨磁化場急劇地增加，M與H曲線不再

是線性。此階段中，若把磁場減少到零，M不再沿原曲線減少到零，而出現剩磁，這種現象

成為磁滯，巴克豪森指出，這一階段由許多M的跳躍性變化組成，是疇壁的不可逆跳躍引起

的。

第三部分（BC）是磁化矢量的轉動過程：第二階段結束后，疇壁消失，整個鐵磁體成為一個

單疇體，但其內部磁化強度方向還與外磁場方向不一致。在這一階段內隨磁化場進一步增大,

磁矩逐漸轉動到與外磁場一致的方向，當磁化到S點時，磁體已磁化到技術飽和，這時的磁

化強度稱飽和磁化強度MS。

第四部分自（:點以后，M-H曲線已近似于水平線，而M-H曲線大體上成為直線，自（:點繼

續(xù)增大外磁，Ms還稍有增加，這一過程稱為順磁磁化過

程

13、飽和磁化強度MS：磁性體被堿化到飽和狀態(tài)時的磁化強度。

飽和磁感應強度Bs:磁性體被磁化到飽和狀態(tài)時的磁感應強度。

14、何為起始磁導率何種場合需要高起始磁導率受哪些因素影響

起始磁導率

(1)起始磁導率

1二B

a=—lim—

磁中性狀態(tài)下磁導率的極限值，實驗上等于曲線在原點

O處切線的斜率除以〃o

場合:研究非晶態(tài)鐵磁合金的磁性穩(wěn)定性、鐵芯也需要高起始磁導率。

因素影響

⑴材料的Ms，風越大，從越高；

⑵材料的占和&和%越小，兒越高；

⑶材料的內應力⑦材料內部的晶體結構越完整均勻，

產生的內應力越小，從越高；

(4)材料內的雜質濃度外用越低，疇壁位移磁化過程決

定的從越高。

15、什么叫做最大磁導率舉例說明提高軟磁材料最大磁導率的途徑

最大磁導率pm

圖中曲線表示了爐值是隨磁場強度變化的曲線。在某一磁場強度下，相對磁導率達到最

大值，稱為最大磁導率|jm。

16、什么叫剩余磁化強度，什么叫剩余磁感強度他們間存在什么樣的

關系提高剩磁途徑

永磁材料在閉路狀態(tài)下經外磁場磁化至飽和后，再撤消外磁場時，永磁材料的磁極化強度J

和內部磁感應強度B并不會因外磁場H的消失而消失，而會保持一定大小的值，該值即稱為

該材料的剩余磁極化強度Jr和剩余磁感應強度Br,統稱剩磁。

剩磁Jr和Br的單位與磁極化強度和磁感應強度單位相同。

提高剩磁的方法

永磁材料的磁極化強度Js是很重要的磁參量，它是該材料剩磁Br的極限道,也是決定該材料磁能

積極限值或理論值（BH）m=Js2/4的強學量。

（

為提高殘留磁化強度，要選用飽和磁化強度高的物質，同時要通過制造工藝等保證方形度接

近1。實際的工藝過程中，可采用下述技術實現單軸磁各向異性。這些技術包括：

①使鑄造組織柱狀晶化；②通過冷加工形成加工纖維組織；

③通過磁場中加工誘導磁各向異性；④通過磁場中熱處理誘導磁谷向異性。

17、什么叫矯頑力提高材料的矯頑力的途徑有哪些

使磁化至技術飽和的永磁體的Bi磁感應強度）降低至零所需要的反向磁場強度稱為磁感矯

頑力。

提高材料的矯頑力的途徑：1）、使合金從有序結構向無序結構轉變，2）、范性形變使晶體中

產生大量的缺陷和內應力，矯頑力隨形變量增大而增大，3）、加工硬化，4）、晶粒細化

18、什么叫最大磁能積為什么最大磁能積越大越好提高最大磁能積的

途徑

退磁曲線上任何一點的B和H的乘積既BH我們稱為磁能積，而BxH的最大值稱之為最大磁

能積（BH）max。

磁能積是恒量磁體所儲存能量大小的重要參數之一，（BH）max越大說明磁體蘊含的磁能量越

大，表示此時磁體對外做功的能力最大。

為使（BH）m盡可能大，需要幾個條件。首先，Br要高；其次，因反磁場造成的Br減少并且

應盡量小，也就是說，方形度要盡量大；最后，具有較大的矯頑力。

20、一個合金中肯定有兩種鐵磁性相，用什么方法證明。

?10、一個合金中存在兩種或兩種以上的鐵

磁性相時，不同的鐵磁性相其居里溫度

（鐵磁性轉變?yōu)轫槾判缘臏囟赛c）不同，

利用材料在加熱或冷卻過程中的相變（二

級相變一順磁性--鐵磁性轉變），通過磁

化強度隨溫度的變化就可反映出來。

磁化強度

22、

?14、面心立方的奧氏體確實是順磁性的。

?奧氏體不銹鋼中含有大量合金元素，這些合金元素極易

形成碳化物，所以一般情況下奧氏體要經過高溫固溶處

理，即加熱到1000C以上溫度保溫使合金元素及其化合

物能夠完全溶解到奧氏體中，隨后快速冷卻得到單一奧

氏體組織，這種單相奧氏體組織不但抗蝕性能好，而且

是完全順磁性的。

?若緩慢冷卻，則容易形成碳化物析出相，碳化物在室溫

下是鐵磁性相，所以造成不銹鋼呈現微弱磁性。

?奧氏體不銹鋼經過嚴重塑性變形，內部形成大量晶體缺

陷，晶格嚴重畸變，局部區(qū)域已經不是面心立方結構，

可能形成類似于體心立方的鐵素體的晶體結構，這一結

構是鐵磁性的，因此，不銹鋼強烈塑變厚會變成鐵磁性。

經過高溫退火后這種鐵磁性將消失。

23、自發(fā)磁化的物理本質是什么材料具有鐵磁性的充要條件是什么

鐵磁體自發(fā)磁化的本質是電子間的靜電交換相互作用

材料具有鐵磁性的充要條件為：1）必要條件:材料原子中具有未充滿的電子殼層，即原子磁矩

2）充分條件:交換積分A>0

24、論述各類磁性X-T的相互關系

1）抗磁性.居與溫度無關，Zt/<0

C

2）順磁性：/=E為臨界溫度，成為順磁居里溫度,