材料结构与性能磁学性能.pptx

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1、3-1 磁性基本概念和物理量磁性基本概念和物理量一、磁性基本物理量一、磁性基本物理量1、磁场、磁场 任何磁极和运动电荷或电流都能在其周围产生磁场，磁场的特性是能使其任何磁极和运动电荷或电流都能在其周围产生磁场，磁场的特性是能使其中的中的磁介质磁化磁介质磁化，对在其中运动的电荷或载流导体，对在其中运动的电荷或载流导体产生作用力产生作用力并对它们作功并对它们作功磁铁产生磁场磁铁产生磁场运动电荷（电流）产生磁场运动电荷（电流）产生磁场博学善建|厚德大成第1页/共50页2、磁感应强度（磁通量密度）在外部磁场在外部磁场 H H 作用下，表征物质（介质）内部的磁场强弱的量，单位作用下，表征物质（介质）内部

2、的磁场强弱的量，单位Wb/m2 2 真空中真空中介质中介质中相对磁导率：相对磁导率：真空磁导率：真空磁导率：绝对磁导率：绝对磁导率：博学善建|厚德大成第2页/共50页3、磁场强度 表征磁场大小的矢量表征磁场大小的矢量通电螺线管中，匝数通电螺线管中，匝数N N、电流、电流I I、长度、长度l l，则产生的磁场强度为，则产生的磁场强度为H H，单位，单位 A/m博学善建|厚德大成第3页/共50页4、磁化强度 磁化：任何物质（或磁介质）将其置于磁场中，都会表现出一定的磁特性，任何物质（或磁介质）将其置于磁场中，都会表现出一定的磁特性，并对该处的磁场产生影响。磁介质可以根据其磁化特性进行分类。并对该处

3、的磁场产生影响。磁介质可以根据其磁化特性进行分类。磁化率，无量纲5、磁通量 通过给定曲面的磁力线总数。单位：韦伯通过给定曲面的磁力线总数。单位：韦伯 博学善建|厚德大成第4页/共50页3-2 材料磁性的物理本质材料磁性的物理本质一、物质的磁性一、物质的磁性 安培假说：安培假说：物质的磁性起源于其内部的环电流（分子电流），环电流形成了物质的磁性起源于其内部的环电流（分子电流），环电流形成了物质的基元磁铁物质的基元磁铁 原子磁矩：原子磁矩：环电流包括电子的自旋运动、循轨运动、核自旋运动环电流包括电子的自旋运动、循轨运动、核自旋运动1、磁矩、磁矩环电流磁矩：环电流磁矩：带电粒子，只要做循轨运动或自旋

4、运动，均可等效为环电流，产生磁矩I 电流强度；S 环电流所围面积轨道磁矩轨道磁矩自旋磁矩自旋磁矩博学善建|厚德大成第5页/共50页2、电子的磁矩、电子的磁矩1 1）电子的循轨磁矩）电子的循轨磁矩 角动量（动量矩）：角动量（动量矩）：磁矩：磁矩：根据量子力学，电子的轨道角动量的能量是量子化：根据量子力学，电子的轨道角动量的能量是量子化：因此，因此，电子的轨道磁矩电子的轨道磁矩：玻尔磁子 电子约化质量 电子质量 离子实质量 轨道磁矩在外场方向轨道磁矩在外场方向Z Z上的分量：上的分量：ml 轨道磁量子数（空间量子数），共2l+1个轨道磁矩轨道磁矩博学善建|厚德大成第6页/共50页2 2）电子的自旋

5、磁矩）电子的自旋磁矩 电子自旋角动量（自旋动量矩）：电子自旋角动量（自旋动量矩）：电子自旋磁矩：电子自旋磁矩：电子自旋磁矩在外场方向电子自旋磁矩在外场方向Z Z上的分量：上的分量：自旋量子数ms=1/2 自旋磁量子数 3）核磁矩）核磁矩核磁矩是由核内质子产生的磁矩，由于质子的质核磁矩是由核内质子产生的磁矩，由于质子的质量为电子质量的量为电子质量的1836.5倍。所以，核磁矩倍。所以，核磁矩 n远小远小于玻尔磁子。核磁矩通常被忽略。于玻尔磁子。核磁矩通常被忽略。自旋磁矩自旋磁矩博学善建|厚德大成第7页/共50页4）原子的总磁矩）原子的总磁矩原子的总磁矩原子的总磁矩，由原子核外未被电子填满的壳层上

6、的所有电子的总轨道磁矩和总，由原子核外未被电子填满的壳层上的所有电子的总轨道磁矩和总自旋磁矩自旋磁矩组成，组成，等于等于和和在在反方向的投影之和而不等于反方向的投影之和而不等于和和的矢量之和，即的矢量之和，即由各电子的磁矩（或角动量）组合成原子的总磁矩（或总角由各电子的磁矩（或角动量）组合成原子的总磁矩（或总角动量），主要有两种耦合方式：动量），主要有两种耦合方式：原子序数在原子序数在32以下，为以下，为L-S耦合耦合，即，即或或原子序数在原子序数在82以上，为以上，为j-j 耦合耦合，即，即或或原子序数在原子序数在3282之间，为两种之间，为两种混合耦合混合耦合方式方式3d 过渡族金属、过渡

7、族金属、4f 稀土金属及其合金主要为稀土金属及其合金主要为L-S耦合耦合博学善建|厚德大成第8页/共50页二、物质的磁化特性及磁介质分类博学善建|厚德大成第9页/共50页1、抗磁性（、抗磁性（diamagnetic），10-610-4数量级，与数量级，与H、T无关的常数无关的常数2、顺磁性（、顺磁性（paramagnetic），10-510-2数量级，与数量级，与H无关无关与与T相关相关3、铁磁性（、铁磁性（ferromagnetic），101106数量级，与数量级，与H呈非线性关系呈非线性关系与与T相关相关4、亚铁磁性（、亚铁磁性（ferrimagnetic），100103数量级数量级5、反

8、铁磁性（、反铁磁性（antiferromagnetic）顺磁顺磁铁磁铁磁亚铁磁亚铁磁反铁磁反铁磁博学善建|厚德大成第10页/共50页第11页/共50页三、三、顺磁性顺磁性及其物理本质及其物理本质主要由各原子或离子实的磁矩主要由各原子或离子实的磁矩 和各自由电子的自旋磁矩和各自由电子的自旋磁矩 在外磁场中的取在外磁场中的取向过程造成向过程造成原子或离子实磁矩的顺磁性：原子或离子实磁矩的顺磁性：H磁场磁场H中的磁位能：中的磁位能：T 温度下磁矩数量：温度下磁矩数量：+d 之间的磁矩数量：之间的磁矩数量：、H方向磁矩分量之和：方向磁矩分量之和：原子的顺磁磁化率：原子的顺磁磁化率：博学善建|厚德大成第

9、12页/共50页自由电子的顺磁性：自由电子的顺磁性：自由电子的自旋磁矩，在外磁场作用下取向所引起无外磁场时，电子自旋方向随机分布，宏观上不显示自旋引起的磁性无外磁场时，电子自旋方向随机分布，宏观上不显示自旋引起的磁性有外磁场时，为降低体系磁位能，部分自旋反平行外磁场的磁矩将转到平行外磁有外磁场时，为降低体系磁位能，部分自旋反平行外磁场的磁矩将转到平行外磁场方向场方向自由电子引起的顺磁磁化率：自由电子引起的顺磁磁化率：自旋反转引起磁位能降低和电自旋反转引起磁位能降低和电子跃迁至高能级而引起的系统子跃迁至高能级而引起的系统能量增高，两者达到平衡能量增高，两者达到平衡博学善建|厚德大成第13页/共5

10、0页抗磁性材料抗磁性材料顺磁性材料顺磁性材料博学善建|厚德大成第14页/共50页原子或离子实的抗磁性原子或离子实的抗磁性受到原子核束缚的电子在作循轨运动时，因受到外磁场劳伦兹力受到原子核束缚的电子在作循轨运动时，因受到外磁场劳伦兹力的作用而产生附加磁矩的作用而产生附加磁矩的结果的结果 总是与外磁场总是与外磁场 H H 的方向相反，从而产生抗磁性的方向相反，从而产生抗磁性N 单位体积中原子（离子）数Z 每个原子（离子）的电子数 第 i 个电子循轨运动的平均半径0 真空磁导率m、e 电子的质量、电量四、抗磁性及其物理本质源自电子（源自电子（束缚电子、自由电子束缚电子、自由电子）的运动，在外磁）的运

11、动，在外磁场作用下，受到劳伦兹力的作用而产生附加磁矩场作用下，受到劳伦兹力的作用而产生附加磁矩博学善建|厚德大成第15页/共50页自由电子的抗磁性自由电子的抗磁性 源于自由电子因受到劳伦兹力的作用，而在垂直于外磁场的平面内作定向的源于自由电子因受到劳伦兹力的作用，而在垂直于外磁场的平面内作定向的环绕运动所产生的附加磁矩，该附加磁矩也总是反平行于外磁场环绕运动所产生的附加磁矩，该附加磁矩也总是反平行于外磁场自由电子的抗磁磁化率：自由电子的抗磁磁化率：自由电子的总磁化率：自由电子的总磁化率：所有物质在外磁场作用下均产生抗磁性，但因抗磁磁化率数值较小，只有当构成物质的原子或离子的总磁矩为零或接近于零

12、时，这种抗磁性才易被发现（或易于显现），其它情况下则极易被顺磁性和铁磁性掩盖 抗磁磁化率基本上不受温度影响，而顺磁磁化率与温度有关 自由电子既可产生顺磁性，又能产生抗磁性，综合作用的结果，自由电子对物质磁性的贡献是顺磁性博学善建|厚德大成第16页/共50页五、五、铁磁性铁磁性及其物理本质及其物理本质 物质中相邻原子或离子的磁矩，由于相互作用而在某些区域中大致按同一方物质中相邻原子或离子的磁矩，由于相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象加到某

13、一极限值的现象 永久磁矩永久磁矩，来源于电子自旋，来源于电子自旋 净磁矩净磁矩，无外场条件下（如图），无外场条件下（如图）磁畴磁畴，晶体中自旋取向相同的区域，晶体中自旋取向相同的区域铁磁材料中，无外磁场条件铁磁材料中，无外磁场条件下，原子磁矩的定向排列下，原子磁矩的定向排列博学善建|厚德大成第17页/共50页反铁磁性（实例）：反铁磁反铁磁MnOMnO中，自旋磁中，自旋磁矩的反向平行排列矩的反向平行排列 反铁磁反铁磁MnOMnO中：中：MnMn2+2+离子存在净磁矩离子存在净磁矩 O O2+2+离子的净磁矩为零离子的净磁矩为零 整个晶体的净磁矩为零整个晶体的净磁矩为零博学善建|厚德大成第18页/

14、共50页亚铁磁性（实例）：立方铁氧体立方铁氧体Fe3O4（天然磁石）的分子（天然磁石）的分子式表示为：式表示为：Fe2+O2-(Fe3+)2(O2-)3 O2-的净磁矩为零的净磁矩为零 Fe2+的净磁矩为的净磁矩为4 B Fe3+的净磁矩为的净磁矩为5 B 整个晶体存在净磁矩（如表）整个晶体存在净磁矩（如表）亚铁磁亚铁磁FeFe3 3O O4 4中，中，FeFe2+2+和和FeFe3+3+的自旋磁矩的排列的自旋磁矩的排列博学善建|厚德大成第19页/共50页1、铁磁质的磁化特性1）磁化曲线和磁位能第一阶段：第一阶段：磁化强度随外磁场缓慢增磁化强度随外磁场缓慢增加；撤除外磁场，磁化强度恢复为原加；

15、撤除外磁场，磁化强度恢复为原始值（始值（可逆磁化可逆磁化）第二阶段：第二阶段：磁化强度随外磁场快速增磁化强度随外磁场快速增加；去除外磁场，磁化强度不能完全加；去除外磁场，磁化强度不能完全恢复至原始状态（恢复至原始状态（不可逆磁化或有剩不可逆磁化或有剩磁磁）第三阶段：第三阶段：磁化强度又随外磁场缓慢磁化强度又随外磁场缓慢增加并增加并趋于饱和趋于饱和状态状态磁位能：静态磁化曲线静态磁化曲线博学善建|厚德大成第20页/共50页磁滞：磁滞：指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强与磁场强度度H之间呈现磁滞

16、回线关系之间呈现磁滞回线关系剩磁剩磁Br：磁滞回线中，外磁场磁滞回线中，外磁场减小为零时，减小为零时，铁磁质所具有的磁感应强度铁磁质所具有的磁感应强度矫顽力矫顽力Hc：为使剩磁降低为零而施加的反向为使剩磁降低为零而施加的反向外磁场强度外磁场强度磁致损耗：磁致损耗：铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。经一次循环，磁滞损耗等于引起的能量损耗。经一次循环，磁滞损耗等于磁滞回线的面积磁滞回线的面积动态磁化曲线（磁滞回线）动态磁化曲线（磁滞回线）博学善建|厚德大成第21页/共50页硬磁、软磁材料(BH)max 最大磁能积最大磁能积1 MGOe=106 gauss-

17、oersted1 MGOe=7.96 kJ/m3博学善建|厚德大成第22页/共50页硬硬磁磁材材料料性性能能软软磁磁材材料料性性能能博学善建|厚德大成第23页/共50页2）磁各向异性和磁各向异性能磁各向异性：外磁场对铁磁单晶体的磁化，在不同的晶向上，磁化的难易程度各外磁场对铁磁单晶体的磁化，在不同的晶向上，磁化的难易程度各不相同。容易磁化的晶向为不相同。容易磁化的晶向为易磁化方向易磁化方向，而难磁化的晶向为，而难磁化的晶向为难磁化方向难磁化方向博学善建|厚德大成第24页/共50页磁化功：磁化过程中，外磁场对磁介质所作磁化过程中，外磁场对磁介质所作的功，代表外磁场在此过程中消耗的能量的功，代表外

18、磁场在此过程中消耗的能量磁各向异性能：沿不同晶向磁化而增加的体系内能，其大小可用沿不同沿不同晶向磁化而增加的体系内能，其大小可用沿不同晶向的磁化功表征。沿难磁化方向磁化，体系内能增加较多；而沿易磁化晶向的磁化功表征。沿难磁化方向磁化，体系内能增加较多；而沿易磁化方向磁化，内能增加较少方向磁化，内能增加较少磁化曲线、磁化强度坐标轴磁化曲线、磁化强度坐标轴和饱和磁化强度三条线围成和饱和磁化强度三条线围成的面积代表磁化功的大小的面积代表磁化功的大小博学善建|厚德大成第25页/共50页3）磁致伸缩与磁弹性能磁致伸缩：指磁介质被磁化时，其尺寸和形状发生改变的现象指磁介质被磁化时，其尺寸和形状发生改变的现

19、象磁弹性能：磁介质磁化时，当磁致伸缩受到应变阻力，磁化功中必须磁介质磁化时，当磁致伸缩受到应变阻力，磁化功中必须额外增加一部分用于克服这种应变阻力，所额外增加的部分以磁弹性能额外增加一部分用于克服这种应变阻力，所额外增加的部分以磁弹性能形式进入磁介质体系的内能中。磁致伸缩易于增加体系的磁弹性能形式进入磁介质体系的内能中。磁致伸缩易于增加体系的磁弹性能磁致伸缩系数：磁致伸缩系数：博学善建|厚德大成第26页/共50页4）几何退磁因子与退磁能）几何退磁因子与退磁能形状各向异性：形状各向异性：磁介质磁化的难易程度收到外部几何形状影响的现象磁介质磁化的难易程度收到外部几何形状影响的现象退磁场退磁场H H

20、d d：铁磁介质被磁化时，其内部会出现铁磁介质被磁化时，其内部会出现退磁场，用以阻碍外磁场对它的磁化退磁场，用以阻碍外磁场对它的磁化3 3个样品长径比：个样品长径比：1 易磁化易磁化23 难磁化难磁化退磁能退磁能E Ed d：退磁场与铁磁质的相互作用能退磁场与铁磁质的相互作用能N 形状退磁因子形状退磁因子博学善建|厚德大成第27页/共50页2、铁磁质自发磁化的机理（铁磁质的自发磁化理论）1）Wiss 铁磁性假说 分子场假说：分子场假说：铁磁质内部存在很强的分子场，在该分子场的作用下，原子磁铁磁质内部存在很强的分子场，在该分子场的作用下，原子磁矩趋向于同方向平行排列矩趋向于同方向平行排列 磁畴假

21、说：磁畴假说：铁磁质内分布有若干原子磁矩同向平行排列的小区域（磁畴），铁磁质内分布有若干原子磁矩同向平行排列的小区域（磁畴），各磁畴的磁化方向随机分布，彼此抵消，整体对外不显磁性各磁畴的磁化方向随机分布，彼此抵消，整体对外不显磁性尽管尽管Wiss理论并未揭示分子场的本质，但基本上正确描述了铁磁质的内部形态理论并未揭示分子场的本质，但基本上正确描述了铁磁质的内部形态铁铁磁磁质质由由磁磁畴畴组组成成，而而磁磁畴畴是是因因某某种种场场力力作作用用，使使原原子子磁磁矩矩同同方方向向平平行行排排列列、磁磁化化达达到饱和状态的小区域到饱和状态的小区域在在无无外外磁磁场场时时，铁铁磁磁质质内内已已自自发发磁

22、磁化化形形成成磁磁畴畴，只只不不过过是是因因为为方方向向紊紊乱乱而而对对外外不不显显示示磁性而已磁性而已如如果果把把原原子子磁磁矩矩比比作作个个体体，磁磁畴畴比比作作团团体体，则则顺顺磁磁质质磁磁化化是是原原子子磁磁矩矩的的个个体体行行为为，而而铁磁质是磁畴的团体行为铁磁质是磁畴的团体行为博学善建|厚德大成第28页/共50页2）自发磁化的条件）自发磁化的条件 自发磁化：自发磁化：铁磁质不依靠外磁场（或仅依靠其内磁场），形成若干饱和磁化铁磁质不依靠外磁场（或仅依靠其内磁场），形成若干饱和磁化小区域（磁畴）的现象小区域（磁畴）的现象 原子结构条件（必要）：原子（或离子）总磁矩原子（或离子）总磁矩

23、，即存在未被抵消的轨道、自旋磁矩，特，即存在未被抵消的轨道、自旋磁矩，特别是别是 例如：在元素周期表中，第四周期副族，其例如：在元素周期表中，第四周期副族，其3d3d亚亚层均未被电子填充满。理论上它们均有可能构成层均未被电子填充满。理论上它们均有可能构成铁磁质，但实际上只有铁磁质，但实际上只有FeFe、CoCo、NiNi才具有铁磁性才具有铁磁性博学善建|厚德大成第29页/共50页 晶体结构条件（充分）：原子磁矩同方向平行排列的原子磁矩同方向平行排列的“分子场分子场”,实际上是晶体内相邻原子间电子自旋实际上是晶体内相邻原子间电子自旋的交换作用，与其相对应的能量为的交换作用，与其相对应的能量为交换

24、能交换能：自旋角动量，两自旋角动量夹角A 交换积分常数，取决于电子运动状态的波函数和两原子间距A 0时，时，=0，两电子自旋磁矩两电子自旋磁矩同向同向平行排列平行排列A 0时，时，=，两电子自旋磁矩两电子自旋磁矩反向反向平行排列平行排列Aa/r3dA 0 Fe、Co、NiCr、MnGd原子间距能够决定A 的正、负或趋于 0 决定磁性博学善建|厚德大成第30页/共50页3）磁畴结构及其成因）磁畴结构及其成因磁畴磁畴：铁磁质内部自发磁化至饱和状态（原子磁矩同向平行排列）的小区域铁磁质内部自发磁化至饱和状态（原子磁矩同向平行排列）的小区域，自自发磁化的结果发磁化的结果磁畴结构磁畴结构（磁畴组态磁畴组

25、态）：）：磁畴的形态、尺寸、取向、畴壁类型、畴壁厚度及其组磁畴的形态、尺寸、取向、畴壁类型、畴壁厚度及其组成形式成形式 磁畴结构磁畴结构a a）主畴主畴：一般都为大而长的片状或棱柱状，通常沿晶体易磁化方向；一般都为大而长的片状或棱柱状，通常沿晶体易磁化方向；副畴副畴：多为短而小的三角形，不保证都出现在易磁化方向多为短而小的三角形，不保证都出现在易磁化方向b b）磁畴壁磁畴壁：相邻磁畴之间相邻磁畴之间、自旋磁矩改变方向的过渡区自旋磁矩改变方向的过渡区c c）相邻磁畴通过主畴、副畴和磁畴壁组合形成自己封闭的磁回路）相邻磁畴通过主畴、副畴和磁畴壁组合形成自己封闭的磁回路d d）磁畴的尺度通常小于晶粒

26、，畴壁不能穿越晶界）磁畴的尺度通常小于晶粒，畴壁不能穿越晶界博学善建|厚德大成第31页/共50页 决定磁畴结构的因素决定磁畴结构的因素交换能最低：交换能最低：倾向于让所有自旋磁矩同方向平行排列，形成磁单畴倾向于让所有自旋磁矩同方向平行排列，形成磁单畴退磁能最低：退磁能最低：倾向于让所有磁畴均形成封闭磁回路倾向于让所有磁畴均形成封闭磁回路磁弹性能最低：磁弹性能最低：倾向于形成多数量、小尺寸、多方向、应变自恰的磁畴结构倾向于形成多数量、小尺寸、多方向、应变自恰的磁畴结构磁各向异性能最低：磁各向异性能最低：倾向于让所有磁化方向均处于易磁化晶向倾向于让所有磁化方向均处于易磁化晶向磁畴结构一定是使体系总

27、的能量处于最低状态博学善建|厚德大成第32页/共50页磁畴壁结构及决定因素磁畴壁结构及决定因素布洛赫（布洛赫（Blooh）壁：壁：畴壁内所有自旋磁矩变向的转轴垂直于壁面畴壁内所有自旋磁矩变向的转轴垂直于壁面奈耳（奈耳（Neel）壁：壁：畴壁内所有自旋磁矩变向的转轴平行于壁面畴壁内所有自旋磁矩变向的转轴平行于壁面交换能：交换能：畴壁越厚，交换能越低畴壁越厚，交换能越低磁各向异性能：磁各向异性能：畴壁越薄，磁各向异性能越低畴壁越薄，磁各向异性能越低最后的畴壁厚度一定使体系总畴壁能最低交换能交换能磁各向异性能磁各向异性能畴壁能畴壁能布洛赫畴布洛赫畴壁壁博学善建|厚德大成第33页/共50页阶段阶段：M

28、随随H的增加而缓慢增加，去除外磁场的增加而缓慢增加，去除外磁场后，后，无剩磁无剩磁；在铁磁质内部，磁化通过畴壁的；在铁磁质内部，磁化通过畴壁的可逆可逆迁移迁移（畴壁内磁矩转向）使其内部与外磁场（畴壁内磁矩转向）使其内部与外磁场成锐成锐角的畴区面积发生变化角的畴区面积发生变化阶段阶段：M随随H的增加而呈线性快速增加，的增加而呈线性快速增加，去除去除后后有剩磁有剩磁，此时，由于外磁场，此时，由于外磁场较大，磁畴壁在迁较大，磁畴壁在迁移过程中克服了某些位垒，从而造成磁畴壁的移过程中克服了某些位垒，从而造成磁畴壁的不可不可逆迁移逆迁移；在铁磁质内，与外磁场成锐角的畴区面积；在铁磁质内，与外磁场成锐角的

29、畴区面积进一步扩大，有可能形成进一步扩大，有可能形成单畴单畴阶段阶段：随随H的增加，的增加，M又缓慢增加并又缓慢增加并趋于饱和趋于饱和；在铁磁质内部，整个单畴磁化方向向外磁场在铁磁质内部，整个单畴磁化方向向外磁场方向方向旋转来进一步使旋转来进一步使增加增加3、铁磁质的技术磁化1）磁化过程中磁畴结构的变化规律）磁化过程中磁畴结构的变化规律博学善建|厚德大成第34页/共50页2）磁畴壁迁移的阻力）磁畴壁迁移的阻力不均匀的应力场不均匀的应力场畴壁能主要畴壁能主要由由交换能交换能、磁各向异性能磁各向异性能、一定量的磁弹性能一定量的磁弹性能构成构成，局部应力区造，局部应力区造成畴壁能随迁移位置变化而起伏

30、的现象成畴壁能随迁移位置变化而起伏的现象应力区使畴壁能增加应力区使畴壁能增加畴壁内的弹性应变与该区域的应力状态不一致畴壁内的弹性应变与该区域的应力状态不一致，应力区相当于能量起伏的应力区相当于能量起伏的“波峰波峰”，必须依靠外磁场做功才能使磁畴壁通过该区域，必须依靠外磁场做功才能使磁畴壁通过该区域应力区使畴壁能降低应力区使畴壁能降低 畴壁内的弹性应变与该区域的应力状态一致畴壁内的弹性应变与该区域的应力状态一致，应力区相当于能量起伏的，应力区相当于能量起伏的“波谷波谷”，对，对磁畴壁具有磁畴壁具有“钉扎钉扎”作用，也需要外磁场额外做功才能让畴壁离开该处作用，也需要外磁场额外做功才能让畴壁离开该处

31、应力区不改变磁畴壁的畴壁能应力区不改变磁畴壁的畴壁能 此时相当于无交互作用此时相当于无交互作用博学善建|厚德大成第35页/共50页夹渣或杂质夹渣或杂质夹渣或杂质主要指磁和磁化特性不同的异类物质。当畴壁经过此类异质物夹渣或杂质主要指磁和磁化特性不同的异类物质。当畴壁经过此类异质物时，同样会与畴壁产生交互作用使畴壁能增高或降低，造成畴壁经过时的时，同样会与畴壁产生交互作用使畴壁能增高或降低，造成畴壁经过时的“位垒位垒”或或“钉扎钉扎”上述磁畴壁的迁移阻力，是造成不可逆磁化（矫顽力）的根本原因博学善建|厚德大成第36页/共50页六、动态磁特性六、动态磁特性1 1、动态交变磁场中磁滞回线的变形规律、动

32、态交变磁场中磁滞回线的变形规律 磁滞回线的形状不仅与磁场强度有关，还与磁场强度的变化频率和变化波形有关磁滞回线的形状不仅与磁场强度有关，还与磁场强度的变化频率和变化波形有关 频率一定，随频率一定，随交变磁场强度幅值交变磁场强度幅值的减小，磁滞回线的形状逐渐趋近于变为椭圆形的减小，磁滞回线的形状逐渐趋近于变为椭圆形 随随频率频率增加，磁滞回线呈现椭圆形的磁场强度幅值的范围扩大，且各磁场强度幅增加，磁滞回线呈现椭圆形的磁场强度幅值的范围扩大，且各磁场强度幅值下回线的矩形比值下回线的矩形比 增大增大博学善建|厚德大成第37页/共50页 2、复数磁导率、复数磁导率 对于动态磁化过程，磁场强度与磁化强度

33、的变化会产生相位差对于动态磁化过程，磁场强度与磁化强度的变化会产生相位差磁场强度：磁场强度：磁感应强度：磁感应强度：复数磁导率：复数磁导率：弹性磁导率，表征磁性材料储存能量的能力 损耗（或粘滞）磁导率，表征磁性材料磁化一周的能量损耗磁损耗系数：磁损耗系数：储能密度：储能密度：磁损耗功率密度：磁损耗功率密度：博学善建|厚德大成第38页/共50页3、交变磁场作用下的能量损耗、交变磁场作用下的能量损耗铁芯损耗（铁损）：铁芯损耗（铁损）：铁磁性介质在不可逆交变磁化过程中的能量损耗，主要由铁磁性介质在不可逆交变磁化过程中的能量损耗，主要由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗三部分构成，即：磁滞损耗、涡流损耗和剩

34、余损耗三部分构成，即：磁滞损耗：磁滞损耗：磁感强度滞后于磁化强度，磁化曲线变成磁滞回线而产生的损耗，其磁感强度滞后于磁化强度，磁化曲线变成磁滞回线而产生的损耗，其数值正比于磁滞回线所围成的面积；数值正比于磁滞回线所围成的面积；涡流损耗：涡流损耗：在磁介质内感生涡电流而形成的能量损耗。生产中采用带有绝缘层的在磁介质内感生涡电流而形成的能量损耗。生产中采用带有绝缘层的薄片状硅钢片来叠成变压器或电机的铁芯，就是为了减少涡流损耗；薄片状硅钢片来叠成变压器或电机的铁芯，就是为了减少涡流损耗；剩余损耗：剩余损耗：除上述两项以外的所有其它损耗除上述两项以外的所有其它损耗博学善建|厚德大成第39页/共50页纯

35、纯Fe和和Fe3O4的饱和磁化强的饱和磁化强度随温度的变化关系度随温度的变化关系3-3 材料磁性的影响因素一温度一温度 能量因素：能量因素：温度增加，体系的热运动能量增加，阻碍或破坏原子磁矩或自旋温度增加，体系的热运动能量增加，阻碍或破坏原子磁矩或自旋磁性的有序性，对顺磁性、铁磁性磁化过程均有不利影响；磁性的有序性，对顺磁性、铁磁性磁化过程均有不利影响；结构因素：结构因素：温度增加，原子（或离子）热振动振幅增加（热振动）、原子平温度增加，原子（或离子）热振动振幅增加（热振动）、原子平均间距增大（热膨胀），进而能改变原子间电子自旋磁矩的交换积分常数和交均间距增大（热膨胀），进而能改变原子间电子自

36、旋磁矩的交换积分常数和交换能，破坏铁磁质的自发磁化条件换能，破坏铁磁质的自发磁化条件博学善建|厚德大成第40页/共50页二应力二应力 弹性应力对铁磁性的影响主要通过改变体系的磁弹性能来实现弹性应力对铁磁性的影响主要通过改变体系的磁弹性能来实现三材料的不完整性（杂质、缺陷、冷变形加工硬化、晶界数量等）三材料的不完整性（杂质、缺陷、冷变形加工硬化、晶界数量等）随材料不完整性密度（浓度）的增加，均增加材料的磁化阻力随材料不完整性密度（浓度）的增加，均增加材料的磁化阻力 通过退火、回复和再结晶、和消除内应力等工艺措施，可使上述状况得到通过退火、回复和再结晶、和消除内应力等工艺措施，可使上述状况得到部分

37、或全部恢复或改善部分或全部恢复或改善压缩变形量对材料最大磁导率、压缩变形量对材料最大磁导率、剩磁、矫顽力的影响规律剩磁、矫顽力的影响规律博学善建|厚德大成第41页/共50页四织构四织构 由于铁磁质磁化时伴随有磁各向异性能和磁弹性能的改变，因此人们可以采取某由于铁磁质磁化时伴随有磁各向异性能和磁弹性能的改变，因此人们可以采取某种工艺措施，使铁磁质的易磁化晶向择优取向，形成所需的织构组织，并同时尽量种工艺措施，使铁磁质的易磁化晶向择优取向，形成所需的织构组织，并同时尽量降低其磁弹性能，进而提高材料的磁性能降低其磁弹性能，进而提高材料的磁性能 例如，通过冷加工或控制轧制工艺，可获得轧制织构（主要是易

38、磁化方向的择优例如，通过冷加工或控制轧制工艺，可获得轧制织构（主要是易磁化方向的择优取向）；而通过磁场中退火工艺可获得磁织构（主要是易磁化方向和内应力的双重取向）；而通过磁场中退火工艺可获得磁织构（主要是易磁化方向和内应力的双重择优取向）择优取向）博学善建|厚德大成第42页/共50页五材料的成分与组织（合金化）五材料的成分与组织（合金化）1 1、合金化形成固溶体：、合金化形成固溶体：固溶体的磁性严重依赖于溶质、溶剂的元素种类、价电子结构、原子间距、及固溶体的磁性严重依赖于溶质、溶剂的元素种类、价电子结构、原子间距、及相关比例等因素，尚无规律可寻相关比例等因素，尚无规律可寻2 2、形成化合物：、

39、形成化合物：铁磁性金属与顺磁性或抗磁性金属形成化合物或中间相，该化合物通常呈顺磁性；铁磁性金属与顺磁性或抗磁性金属形成化合物或中间相，该化合物通常呈顺磁性；铁磁性金属与非金属所组成的化合物，如铁磁性金属与非金属所组成的化合物，如FeFe3 3C C、FeFe4 4N N 此类化合物一般成亚铁磁此类化合物一般成亚铁磁性或弱铁磁性性或弱铁磁性博学善建|厚德大成第43页/共50页3 3、形成多相合金：、形成多相合金：其饱和磁化强度，与各组成相磁化强度、体积分数具有线性关系：其饱和磁化强度，与各组成相磁化强度、体积分数具有线性关系：是利用磁性分析法进行定量金相分析的原理和依据在碳钢中：在碳钢中：铁磁相

40、：铁磁相：铁素体（铁素体（F F）、珠光体（）、珠光体（P P）、贝氏体（）、贝氏体（B B）、马氏体（）、马氏体（M M）；）；顺磁相：顺磁相：奥氏体（奥氏体（A A）；）；弱铁磁相：弱铁磁相：FeFe3 3C C博学善建|厚德大成第44页/共50页3-4磁性测量及其应用磁性测量及其应用一、磁性测量一、磁性测量1、冲击测磁法、冲击测磁法1）开路试样（条状样）：测量）开路试样（条状样）：测量Ms试样插入前的磁通量：试样插入前的磁通量：试样插入后的磁通量：试样插入后的磁通量：前后的磁通量之差：前后的磁通量之差：0 真空磁导率，Ms 试样的饱和磁化强度，S 试样的截面积 在在 t t时间内，流经检

41、流计的电量：时间内，流经检流计的电量：饱和磁化强度：饱和磁化强度：Cb 检流计冲击常数，m 冲击指针的偏转数博学善建|厚德大成第45页/共50页2）闭路试样（环状样）：测）闭路试样（环状样）：测M-H、B-H曲线、磁滞回线、曲线、磁滞回线、Ms磁化线圈磁化线圈W1内：内：博学善建|厚德大成第46页/共50页2、磁转矩仪（热磁仪）、磁转矩仪（热磁仪）试样：试样：磁场强度：磁场强度：磁转矩：磁转矩：弹簧产生平衡扭矩：弹簧产生平衡扭矩：V 试样体积H 外磁场强度 试样与磁场中心线的夹角 初始夹角与平衡后夹角之差C 弹簧的弹性系数磁化强度：磁化强度：平衡时：平衡时：L1=L2博学善建|厚德大成第47页

42、/共50页振动样品磁强计振动样品磁强计/VSM/VSM 测量：测量：磁滞回线：磁滞回线：MvsH曲线、饱和磁化率曲线、饱和磁化率(MSAT)、剩磁、剩磁(MREM)、矫顽力、矫顽力(Hc)、矫顽力倾角、矫顽力倾角,dM/dH值值,或矫顽力或矫顽力的相对敏感度、转换区分布、平直度、矩形比、磁滞损的相对敏感度、转换区分布、平直度、矩形比、磁滞损失失,Ws、最小磁滞曲线、最小磁滞曲线初始磁化曲线初始磁化曲线直流剩磁直流剩磁交流剩磁交流剩磁磁化数据的时间函数磁化数据的时间函数可测试材料，包括：可测试材料，包括：反磁性材料、顺磁材料、铁氧磁材料、铁镁磁材料和抗铁磁材料，各向异性材料反磁性材料、顺磁材料、

43、铁氧磁材料、铁镁磁材料和抗铁磁材料，各向异性材料 粒子和连续介质磁记录材料、层粒子和连续介质磁记录材料、层GMRGMR、CMRCMR、偏交换作用和自旋电子材料、偏交换作用和自旋电子材料 磁磁-光学材料光学材料 块体磁性材料、粉末、薄膜、单晶、磁性液体块体磁性材料、粉末、薄膜、单晶、磁性液体博学善建|厚德大成第48页/共50页二、应用举例二、应用举例1用磁性分析法分析淬火钢中残余奥氏体的相对量用磁性分析法分析淬火钢中残余奥氏体的相对量原理：饱和磁化强度原理：饱和磁化强度Ms与其各组成相的与其各组成相的Msi和体积分数和体积分数Vi具有线性关系，即具有线性关系，即2用热磁仪分析高碳钢回火转变用热磁仪分析高碳钢回火转变分析磁化强度随回火温度的变化，可以分析磁化强度随回火温度的变化，可以对高碳钢淬火后的回火转变进行分析对高碳钢淬火后的回火转变进行分析高碳钢在不同回火温度高碳钢在不同回火温度 t下的饱下的饱和磁化强度和磁化强度Ms 的测试及结果的测试及结果博学善建|厚德大成第49页/共50页感谢您的观看。第50页/共50页