1、第三章第三章 材料的磁学性能材料的磁学性能 磁性不只是一个宏观的物理量，而且与物质的微磁性不只是一个宏观的物理量，而且与物质的微观结构密切相关。它不仅取决于物质的原子结构，还观结构密切相关。它不仅取决于物质的原子结构，还取决于原子间的相互作用取决于原子间的相互作用键合情况、晶体结构。键合情况、晶体结构。因此，研究磁性是研究物质内部结构的重要方法之一。因此，研究磁性是研究物质内部结构的重要方法之一。 本章主要介绍有关磁性理论、磁性的现象和磁性本章主要介绍有关磁性理论、磁性的现象和磁性分析方法在材料研究中的主要应用。分析方法在材料研究中的主要应用。 3.1 材料的磁化特征及其基本参数材料的磁化特征
2、及其基本参数3.1.1 磁化现象及磁化强度磁化现象及磁化强度磁化磁化 物质受到磁场的作用而表现出一定的磁性。物质受到磁场的作用而表现出一定的磁性。 能够磁化的物质。能够磁化的物质。 磁介质磁介质电磁学中物质磁化理论的两种观点：电磁学中物质磁化理论的两种观点：（1） 分子环流观点。分子环流观点。 （2） 等效磁荷观点。等效磁荷观点。分子电流观点分子电流观点安培提出分子环流假说：安培提出分子环流假说： 物质中的每个磁分子都相当一个环形电流，即是物质中的每个磁分子都相当一个环形电流，即是一个分子磁矩。一个分子磁矩。无外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。无外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性
3、。 有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。 磁化强度：磁化强度：单位体积的总磁矩。单位体积的总磁矩。 mPMV 等效磁荷观点等效磁荷观点 材料的的每个磁分子就是一个磁偶极子。材料的的每个磁分子就是一个磁偶极子。无外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。无外磁场时：热运动、杂乱无章，不显宏观磁性。 有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。有外磁场时：沿磁场方向排列，显现宏观磁性。 磁极化强度：磁极化强度：单位体积的总磁偶极矩。单位体积的总磁偶极矩。 mjJV 磁化强度和磁极化强度：磁化强度和磁极化强度：JM 00真空的磁导率。真空的磁导率。磁化率
4、：磁化率：磁化强度与外磁场强度的比值。与材料和温磁化强度与外磁场强度的比值。与材料和温度有关度有关 MH 材料磁化强度与外磁场强度和温度有关。材料磁化强度与外磁场强度和温度有关。 3.1.2 磁化率和磁导率磁化率和磁导率MH 磁化率磁化率介质磁化后必然影响介质所在处的磁场介质磁化后必然影响介质所在处的磁场 BH 00BBBHM 000HH()H 0001加入介质前的磁感应强度。加入介质前的磁感应强度。 加入介质后的强度磁感应强度。加入介质后的强度磁感应强度。 令：令： r() 001则：则： BH 磁导率磁导率材料内磁感应强度与磁场强度的比值。材料内磁感应强度与磁场强度的比值。 rB()H 0
5、01相对磁导率相对磁导率rBB()HB 001物质的磁性分类物质的磁性分类 根据物质的磁化率，把物质的磁性大致分为抗磁根据物质的磁化率，把物质的磁性大致分为抗磁体、顺磁体、反铁磁体、铁磁体和亚铁磁体。体、顺磁体、反铁磁体、铁磁体和亚铁磁体。1.1.抗磁体：抗磁体：为负值，很小，约在为负值，很小，约在1010-6-6数量级。数量级。2.2.顺磁体：顺磁体：为正值，很小，约在为正值，很小，约在1010-3-31010-6-6数量数量 级。级。3.3.反铁磁体：反铁磁体：为正值，很小。为正值，很小。4.4.铁磁性体：铁磁性体：为正值，很大，约在为正值，很大，约在101010106 6数量数量 级。级
6、。5.5.亚铁磁体：亚铁磁体：为正值，没有铁磁性体大。为正值，没有铁磁性体大。 物质的磁性分类、磁性特征及磁化机制？物质的磁性分类、磁性特征及磁化机制？ 3.1.3 磁化曲线和磁滞回线磁化曲线和磁滞回线 物质的磁化强度、磁感应强度、磁导率等磁参量物质的磁化强度、磁感应强度、磁导率等磁参量随磁场强度增大的变化曲线。随磁场强度增大的变化曲线。磁化曲线磁化曲线铁磁体的三种磁化曲线铁磁体的三种磁化曲线BH 铁磁性和亚铁磁性物质的磁化曲线与过程有关。铁磁性和亚铁磁性物质的磁化曲线与过程有关。 抗磁、顺磁和反铁磁物质的磁化曲线与过程无关。抗磁、顺磁和反铁磁物质的磁化曲线与过程无关。饱和磁化饱和磁化饱和磁化
7、强度饱和磁化强度饱和磁感应强度饱和磁感应强度磁滞回线磁滞回线 磁化强度或磁感应强度随磁场强度变化一周形成磁化强度或磁感应强度随磁场强度变化一周形成的闭合曲线。的闭合曲线。时，时， 的状态的状态退磁状态退磁状态H 0M 0技术磁化技术磁化 从退磁状态直到饱和之的磁化过程。从退磁状态直到饱和之的磁化过程。起始磁导率起始磁导率时的磁导率。时的磁导率。H 0iHBlimH 0最大磁导率最大磁导率max 弱磁场下工作的软磁材料，要弱磁场下工作的软磁材料，要求有较大的起始磁导率，信号变压求有较大的起始磁导率，信号变压器、电感的磁芯。器、电感的磁芯。 强磁场下工作的软磁材料，要强磁场下工作的软磁材料，要求有
8、较大的最大磁导率。求有较大的最大磁导率。剩余磁化强度剩余磁化强度剩余磁感应强度剩余磁感应强度rrM ,B矫顽力矫顽力 去掉磁场后的去掉磁场后的 时所需要的退磁场强度时所需要的退磁场强度 铁磁和亚铁磁材料在技术磁铁磁和亚铁磁材料在技术磁化过程中存在不可逆过程，磁场化过程中存在不可逆过程，磁场减小时减小时 和和 变化滞后。变化滞后。磁滞磁滞MBM,B 00CH 和和 随最大磁场强度的减随最大磁场强度的减小而减小。小而减小。 磁滞回线所围的面积。磁滞回线所围的面积。磁滞损耗磁滞损耗 通常所说的磁滞回线及其表征参数是指磁化强度通常所说的磁滞回线及其表征参数是指磁化强度随磁场强度的变化的曲线和参数。随磁
9、场强度的变化的曲线和参数。rMCH 通过逐渐减小最大磁场的强通过逐渐减小最大磁场的强度，可实现退磁。度，可实现退磁。 、Mr和和Hc都是对材料组织敏感的磁参数，决定于都是对材料组织敏感的磁参数，决定于材料的组成、显微组织、形态和分布等因素的影响。材料的组成、显微组织、形态和分布等因素的影响。不同的磁性材料的应用范围也不同。不同的磁性材料的应用范围也不同。 具有小具有小Hc值、高值、高的瘦长形磁滞回线的材料，适宜的瘦长形磁滞回线的材料，适宜作软磁材料。作软磁材料。 具有大的具有大的Mr和和Hc、低、低的短粗形磁滞回线的材料适的短粗形磁滞回线的材料适宜作硬磁宜作硬磁(永磁永磁)材料。材料。 而而M
10、rMs从接近于从接近于 1 的矩形磁滞回线的材料，即的矩形磁滞回线的材料，即矩磁材料则可作为磁记录材料。矩磁材料则可作为磁记录材料。3.2 物质的磁性及其物理本质物质的磁性及其物理本质3.2.1 原子磁性原子磁性 原子由原子核和核外电子构成，核外电子在各自原子由原子核和核外电子构成，核外电子在各自的轨道上绕核运动的同时还进行自转运动。因此，分的轨道上绕核运动的同时还进行自转运动。因此，分别具有别具有轨道磁矩轨道磁矩和和自旋磁矩自旋磁矩。lOrbitallSpin轨道磁矩轨道磁矩自旋磁矩自旋磁矩 原子核也进行自转运动也有其原子核也进行自转运动也有其自旋磁矩，但与电自旋磁矩，但与电子磁矩相比很小，
11、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 原子的磁矩主要由电子磁矩组成，而电子磁矩是原子的磁矩主要由电子磁矩组成，而电子磁矩是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。 原子中的电子按不同的壳层进行排列，当电子壳原子中的电子按不同的壳层进行排列，当电子壳层被排满时电子的轨道运动和自旋运动占据了所有可层被排满时电子的轨道运动和自旋运动占据了所有可能方向，电子总的角动量为零，电子的总磁矩为零能方向，电子总的角动量为零，电子的总磁矩为零。 当某一当某一电子壳层未被排满时，这个电子壳层的电电子壳层未被排满时，这个电子壳层的电子总磁矩才不为零，该原子对外就要显示磁矩。子总磁矩
12、才不为零，该原子对外就要显示磁矩。3.2.2 物质的抗磁性物质的抗磁性 原子的磁矩为零的物质对外不显示磁性原子的磁矩为零的物质对外不显示磁性。但在外。但在外磁场的作用下原子的磁矩不再为零，对外表现出一定磁场的作用下原子的磁矩不再为零，对外表现出一定的抗磁性。的抗磁性。抗磁性产生的原因抗磁性产生的原因 电子的轨道运动在外磁场的作用下产生了附加磁电子的轨道运动在外磁场的作用下产生了附加磁矩矩。 附加磁矩附加磁矩与外磁场方向相反，物质磁化后内部产与外磁场方向相反，物质磁化后内部产生与外场方向相反的附加磁场，对外表现出抗磁性。生与外场方向相反的附加磁场，对外表现出抗磁性。磁化强度与磁场强度方向相反，磁
13、化率磁化强度与磁场强度方向相反，磁化率10-4.cm，而铁，而铁氧体的电阻率可达氧体的电阻率可达=11012 .cm。 低电阻会引起过大的涡流损耗，该项低电阻会引起过大的涡流损耗，该项损耗损耗正比于正比于D2f/（D为蕊厚度，为蕊厚度，f为交流场频率，为交流场频率， 为电阻率）。磁性材料为电阻率）。磁性材料 越低，应用频率越高，越低，应用频率越高，涡流损耗越大。因此，在磁性元件中采用高电涡流损耗越大。因此，在磁性元件中采用高电阻率的大块铁氧体磁蕊是一项相当大的节约，阻率的大块铁氧体磁蕊是一项相当大的节约，它即使应用到光频它即使应用到光频61014HZ也未表现出过大的也未表现出过大的涡流损耗。涡
14、流损耗。l3.11.1 射频铁氧体按用途的分类射频铁氧体按用途的分类1. 约约1MHz以下频率用的铁氧体以下频率用的铁氧体2. 在在1MHz以上频率用的铁氧体以上频率用的铁氧体3. 射频振荡电路调谐用的铁氧体射频振荡电路调谐用的铁氧体4. 做非线性电路元件用的铁氧体做非线性电路元件用的铁氧体5. 其他有更重意义的铁氧体其他有更重意义的铁氧体l3.11.2 3.11.2 低频铁氧体低频铁氧体 1 1、在低频下，、在低频下，变压器变压器用铁氧体的主要要求是用铁氧体的主要要求是高磁导率高磁导率，以便减少杂散电感和做成尽可能小的，以便减少杂散电感和做成尽可能小的尺寸，损失并不重要。尺寸，损失并不重要。
15、 2 2、电视接收机线路中的变压器要求变换大信、电视接收机线路中的变压器要求变换大信号的各种应用场合，要求有高的号的各种应用场合，要求有高的磁感应强度和低磁感应强度和低矫顽力矫顽力。 3 3、滤波器线圈的铁氧体要求是应有小的损失、滤波器线圈的铁氧体要求是应有小的损失角正切和小的可变性及高磁导率。角正切和小的可变性及高磁导率。l铁氧体的磁损耗包括磁滞和涡流损耗两部分，铁铁氧体的磁损耗包括磁滞和涡流损耗两部分，铁氧体的氧体的B随随H变化的磁滞回线可决定磁滞损耗：变化的磁滞回线可决定磁滞损耗：lah可小到可小到210-11T-1，在起始磁率范围不出现磁，在起始磁率范围不出现磁滞损耗。滞损耗。2)(t
16、anmaxBah磁滞l3.11.3 3.11.3 高频铁氧体高频铁氧体 在在1-100MHz1-100MHz的频率范围内主要采用的频率范围内主要采用Ni-ZnNi-Zn铁铁氧体，磁导率频散的频率随着氧体，磁导率频散的频率随着NiNi的含量增加而增的含量增加而增高。高。 欲使欲使Ni-ZnNi-Zn铁氧体的性能有实质性的改善，铁氧体的性能有实质性的改善，必须搞清必须搞清频散的畴壁共振与自旋共振两种机制。频散的畴壁共振与自旋共振两种机制。由于畴壁可以存在于不同的位置，故其共振的频由于畴壁可以存在于不同的位置，故其共振的频谱通常相当宽，损耗可延伸到相当低的频率。谱通常相当宽，损耗可延伸到相当低的频率
17、。 矩磁铁氧体磁心之所以能存储信息，是由矩磁铁氧体磁心之所以能存储信息，是由于它具有于它具有+Br和和-Br这两个同样稳定的剩磁状这两个同样稳定的剩磁状态。它需要加一个超过磁心所固有的阀场态。它需要加一个超过磁心所固有的阀场HK的外磁场，才能使磁心由一个剩磁状态翻转到的外磁场，才能使磁心由一个剩磁状态翻转到另一个剩磁状态。另一个剩磁状态。剩磁比：剩磁比：Br/BM，实用的矩磁铁氧体的最大值，实用的矩磁铁氧体的最大值0.9比打扰：比打扰：HK/Hm，当阀场，当阀场HK（回线的膝）达到（回线的膝）达到饱和值以后，打扰比就随驱动场的增大而迅速饱和值以后，打扰比就随驱动场的增大而迅速降低。降低。0.6
18、充许电流漂移、温度漂移和其他干充许电流漂移、温度漂移和其他干扰。扰。 3.12 矩磁铁氧体矩磁铁氧体3.13 3.13 材料静态磁性能的测量材料静态磁性能的测量 磁性的测量包括对组织结构不敏感量（本磁性的测量包括对组织结构不敏感量（本征参量）如征参量）如Ms、K、s、Tc和组织结构敏感量和组织结构敏感量（非本征量）如（非本征量）如Hc、Br、X、等的测量，以等的测量，以及在交变磁场下的磁参数测量。前者为测量直及在交变磁场下的磁参数测量。前者为测量直流磁场下得到的基本磁化曲线、磁滞回线及由流磁场下得到的基本磁化曲线、磁滞回线及由此定义的各种磁参数，如此定义的各种磁参数，如Ms、 Hc、Br、以以
19、及最大磁能积及最大磁能积(BH)max等，而后者则是测量软等，而后者则是测量软磁材料在交变磁场中的性能，如在各种磁材料在交变磁场中的性能，如在各种B、f下下的的和损耗。和损耗。3.13.1 3.13.1 静态磁性的冲击法测量静态磁性的冲击法测量1 1、闭路试样的冲击法测量、闭路试样的冲击法测量2 2、开路试样的冲击法测量、开路试样的冲击法测量3 3、静态磁性的热磁仪法测量、静态磁性的热磁仪法测量3.13.2 3.13.2 静态磁性的自动测量静态磁性的自动测量1 1、光电放大磁通计、光电放大磁通计2 2、电子积分运算放大器、电子积分运算放大器3 3、数字磁通计、数字磁通计3.14 3.14 动态
20、磁性能的测量动态磁性能的测量3.14.1 3.14.1 指示仪表测量法指示仪表测量法1.1.动态磁化曲线的测量动态磁化曲线的测量2.2.材料损耗的功率测量法材料损耗的功率测量法3.14.2 3.14.2 示波器法示波器法3.14.3 3.14.3 电桥法电桥法3.14.4 3.14.4 动态磁特性的自动测量动态磁特性的自动测量 3.15 3.15 材料磁性分析的应用材料磁性分析的应用 材料磁性分析对研究钢的相变动力学、淬材料磁性分析对研究钢的相变动力学、淬火钢中的残余奥氏体、淬火钢的回火转变、建立合火钢中的残余奥氏体、淬火钢的回火转变、建立合金的相图、研究合金的时效，以及合金的结构变化金的相图
21、、研究合金的时效，以及合金的结构变化等是一种非常有效的方法。等是一种非常有效的方法。 对碳钢和低合金钢对碳钢和低合金钢 对高碳高合金钢对高碳高合金钢3.15.1 3.15.1 测定钢中的残余奥氏体量测定钢中的残余奥氏体量3.15.2 研究淬火钢的回火转变研究淬火钢的回火转变 淬火钢在回火的过程中，无论是马氏体还是淬火钢在回火的过程中，无论是马氏体还是残余奥氏体都要发生分解而引起饱和磁化强度残余奥氏体都要发生分解而引起饱和磁化强度MsMs的变化。由于多相系统的的变化。由于多相系统的MsMs服从相加原则，故可服从相加原则，故可采用采用MsMs随回火温度的变化作为相分析的根据，从随回火温度的变化作为
22、相分析的根据，从而确定不同相发生分解的温度区间，判定成相的而确定不同相发生分解的温度区间，判定成相的性质。性质。3.15.3 3.15.3 研究过冷奥氏体的等温转变研究过冷奥氏体的等温转变 钢的饱和磁化强度钢的饱和磁化强度MsMs与过冷奥氏体的转变产与过冷奥氏体的转变产物的数量成正比，因此研究过冷奥氏体分解过程物的数量成正比，因此研究过冷奥氏体分解过程中各相的相对数量的变化时，可选用中各相的相对数量的变化时，可选用MsMs作测量参作测量参数。数。3.15.4 3.15.4 建立合金的相图建立合金的相图 置换式固溶体合金的成分对矫顽力基本无影置换式固溶体合金的成分对矫顽力基本无影响，但合金的组织
23、对矫顽力有显著影响。当合金响，但合金的组织对矫顽力有显著影响。当合金成分超过最大固溶度而生成第二相时，矫顽力将成分超过最大固溶度而生成第二相时，矫顽力将显著增高，因此根据矫顽力的变化情况很容易确显著增高，因此根据矫顽力的变化情况很容易确定合金的最大固溶度。定合金的最大固溶度。本章重点掌握内容：本章重点掌握内容：磁介质的分类？各类磁介质的磁性来源及磁化机制？磁磁介质的分类？各类磁介质的磁性来源及磁化机制？磁化率、磁导率、磁化强度等磁参量随磁场强度及温度的化率、磁导率、磁化强度等磁参量随磁场强度及温度的变化规律（包括磁转变温度以上）？（图）变化规律（包括磁转变温度以上）？（图）铁磁体的自发磁化？磁
24、畴的形成及结构？铁磁体的自发磁化？磁畴的形成及结构？铁磁体技术磁化的过程及物理机制？铁磁体技术磁化的过程及物理机制？晶粒尺寸和杂质对铁磁体磁性的影响？晶粒尺寸和杂质对铁磁体磁性的影响？铁磁、亚铁磁材料的动态磁化特性？铁磁、亚铁磁材料的动态磁化特性？磁学的一些基本概念和基本现象磁学的一些基本概念和基本现象第二章重点掌握内容：第二章重点掌握内容：造成材料导电性差异的主要原因？造成材料导电性差异的主要原因？金属电阻产生的主要机制及其产生的电阻随温度的变化金属电阻产生的主要机制及其产生的电阻随温度的变化规律？规律？影响金属导电性的主要因素及其具体影响？影响金属导电性的主要因素及其具体影响？本征半导体的
25、导电机制及电学特性？本征半导体的导电机制及电学特性？什么是掺杂半导体？分类及导电机制？什么是掺杂半导体？分类及导电机制？PN结的形成及特性？结的形成及特性？超导体的特性及其物理机制？评价超导电性能的主要参超导体的特性及其物理机制？评价超导电性能的主要参量？第一类半导体？第二类半导体？量？第一类半导体？第二类半导体？金属金属金属的接触电效应及其物理机制？金属的接触电效应及其物理机制？金属热电性及其物理机制？金属热电性及其物理机制？电学的一些基本概念和基本现象电学的一些基本概念和基本现象1 1、热容的德拜模型、热容的德拜模型2 2、热容随温度的变化规律、热容随温度的变化规律3 3、热膨胀的物理机制
26、。、热膨胀的物理机制。4 4、热膨胀与热容、德拜温度、熔点温度的关系及其、热膨胀与热容、德拜温度、熔点温度的关系及其原因。原因。5 5、发生一、二级相变时，材料的热容、体积、热膨、发生一、二级相变时，材料的热容、体积、热膨胀系数的变化特点。胀系数的变化特点。6 6、固体材料的热传导机制（按金属、半导体和绝缘、固体材料的热传导机制（按金属、半导体和绝缘体分类）。体分类）。7 7、影响金属材料热传导的主要因素及其规律。、影响金属材料热传导的主要因素及其规律。8 8、影响材料热稳定性的主要因素。、影响材料热稳定性的主要因素。9 9、热学的一些基本概念和基本现象热学的一些基本概念和基本现象第一章重点掌握内容：第一章重点掌握内容：
