导图社区 材物-磁学性能
材料磁学性能简单介绍,分享了磁介质分类、磁性的物理本质、抗磁 顺磁的影响因素、抗磁 顺磁测量方法、铁磁性、自发极化、技术磁化、反磁化过程、影响铁磁性的因素。
编辑于2023-06-21 14:20:59磁学性能
基本概念及参量
极化
物质在磁场中,由于受磁场作用而呈现一定磁性的现象
磁介质
在外加磁场作用下能被磁化的物质
磁场强度H
磁化强度M
单位体积内的总磁矩
M=χmH,χm为磁化率(磁化系数)
A/m
磁感应强度B
通过磁场中某点、垂直于磁场方向单位面积的磁力线数,反应外加磁场H和磁介质磁化后M的综合作用效应
磁电对比
磁介质分类
抗磁体
磁化率χm<0,大约在E-6数量级,它们在磁场中受微弱斥力。 磁化后使外磁场减弱
根据磁化率与温度的关系分
正常抗磁体
极化率不随温度变化
Cu、Ag、Au、Zn、Hg
反常抗磁体
极化率随温度变化,且值是正常的10~100倍
Bi、Ga、Sb、Sn、In
顺磁体
磁化率χm>0,约为E-6~E-3,它在磁场中受微弱吸引力。 磁化后使外磁场略有增强的物质
根据磁化率与温度的关系分
正常顺磁体
极化率随温度变化,χm∝1/T
Pt、Pd、奥氏体不锈钢、Al、Mg、稀土金属
反常顺磁体
极化率不随温度变化
Li、Na、K
Pt、Pd、奥氏体不锈钢、碱金属,Al
反铁磁体
χm是小的正数,在温度低于某温度时,它的磁化率同磁场的取向有关;高于这个温度(TN:尼尔点),其行为像顺磁体。
α-Mn、铬,还有如氧化镍、氧化锰
铁磁体
在较弱的磁场作用下,就能产生很大的磁化强度。χm是很大的正数E1~E6 ,且与外磁场呈非线性关系变化
铁磁体在温度高于某临界温度后变成顺磁体。此临界温度称为居里温度或居里点,常用Tc ,Tθ或θc表示。
Fe、Ni、Co、(Gd)
亚铁磁体
与铁磁体类似,但χm值没有铁磁体那样大
磁铁矿(Fe3O4)、铁氧体
五类磁体的磁化曲线
磁性的物理本质
磁介质的磁化过程实质上是内部原子磁矩的取向过程
原子磁矩包括电子轨道磁矩、电子自旋磁矩、原子核磁矩
电子轨道磁矩
电子的循轨运动(公转)可以看成是一个闭合的环形电流, 由此产生的磁矩称为轨道磁矩,垂直于电子运动的轨道平面
在外加磁场上的分量为
电子自旋磁矩
电子绕自身的轴旋转,产生一个自旋磁矩,其方向平行于自旋轴
在外加磁场上的分量为
电子轨道磁矩与电子自旋磁矩之和构成原子的固有磁矩:原子本征磁矩
原子核磁矩
原子核磁矩约为电子磁矩的1/2000,可忽略
原子总磁矩的确定方式
电子磁矩与角动量成正比
当原子中某一电子壳层被填满时,各个电子的轨道运动和自旋运动的取向占据了所有可能得方向,这些方向成对称分布,因此电子的总角动量为0,该壳层电子的总磁矩也为零
如原子中所有电子壳层都是填满的,由于形成一个球形对称的集体,则电子轨道磁矩和自旋磁矩各自相抵消,此时原子本征磁矩m=0
抗磁性及产生原因
金属被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相反。 原因在于电子的循轨运动受外加磁场作用产生的抗磁矩(与外加磁场方向相反),故抗磁不是自由电子的轨道磁矩和自旋磁矩本身所产生,而是在外加磁场作用下电子的绕核运动所产生的附加磁矩所产生的
任何金属在磁场作用下都要产生抗磁性
(正常)抗磁性特点
磁化率很小,并且与磁场强弱和温度无关
抗磁磁化可逆
顺磁性及产生原因
主要来源于原子(离子)的固有磁矩(轨道磁矩+自旋磁矩),在没有外加磁场时,原子的固有磁矩呈无序状态分布,在宏观上并不呈现出磁性;若施加一定的外磁场时,由于磁矩与磁场相互作用,磁矩具有较高的静磁能。
静磁能是指原子磁矩与外加磁场的相互作用能,用EH表示
为了降低静磁能,磁矩改变与磁场之间的夹角(变小),于是便产生了磁化;随着磁场的增强,磁矩的矢量和在磁场方向上的投影不断地增大,磁化不断地增强
在常温下,要使原子磁矩转向磁场方向,除了要克服磁矩间相互作用所产生的无序倾向之外,还必须克服由原子热运动所造成的严重干扰,故顺磁磁化困难
产生顺磁性的两个可能条件
A:具有奇数个电子的原子或点阵缺陷;
避免电子排满
B:内壳层未被填满的原子或离子:过渡族元素、稀土金属
自由电子在磁场作用下同时产生抗磁矩和顺磁矩,不过它所产生的抗磁矩远小于顺磁矩,故自由电子的主要贡献是顺磁性;
根据金属离子核外电子层结构不同
电子壳层(内层电子)已全部被填满, 即离子固有磁矩为零
在外加磁场的作用下由核外电子的循轨运动产生抗磁矩, 抗磁矩的强弱取决于核外电子的数量
如果离子部分总的抗磁矩大于自由电子的顺磁矩,则金属为抗磁金属, 如铜、金、银、锌等。
锑、铋和铅等金属也属于这种情况,所不同的是它们的自由电子向共价键过渡,因而呈现出异常大的抗磁性
非金属中除了氧和石墨外,都属于抗磁体,并且它们的磁化率与惰性气体相近。以Si、S、P以及许多有机化合物为例,它们基本上以共价键结合,由于共价电子对的磁矩相互抵消,因而这些物质均成为抗磁体
碱金属和碱土金属(除Be外),它们的离子也是填满的电子结构,但它们的自由电子所产生的顺磁性大于离子部分的抗磁性,呈现顺磁性,如铝、镁、锂、钠和钾等
离子有未被填满的电子层, 即离子具有较强的固有磁矩
在外磁场的作用下,这些固有磁矩所产生的顺磁矩远大于核外电子循轨运动所产生的(附加)抗磁矩。具有这种离子的金属都有较强的顺磁性,它们属于强顺磁性金属
从元素周期表来看:每一周期前面的元素都是顺磁的,后面一些元素多为抗磁的;过渡族元素除Fe、Ni、Co外,反铁磁Cr,几乎都具有较强的顺磁性
抗磁、顺磁的影响因素
温度
顺磁性
随温度升高,原子热运动加剧,原子磁矩无序度增加,磁矩趋向一致困难,使顺磁磁化过程困难,降低顺磁磁化率
对一般顺磁质,其磁化率随温度的变化服从居里定律: χm=C/T
强顺磁金属,如铁磁性金属成顺磁态,则磁化率随温度变化遵循居里-外斯定律: χm=C/(T-θc)
反铁磁性物质各有一个特定的温度TN(尼尔点): 当T>TN时: 随温度升高,磁化率下降;当T<TN时: 随温度升高,磁化率升高
锂、钠、钾、铷等金属,顺磁性由价电子产生,χm与温度无关:异常
抗磁性
原子或离子的抗磁磁化率与温度无关,或者随温度变化发生微弱的改变。
但当金属熔化、凝固以及发生同素异构转变时,抗磁磁化率将发生突变:大多数减小,锗、金、银增加。
同素异构转变
由于晶格类型及原子间距发生变化,从而影响电子运动状态,导致磁导率的变化
白锡(正方结构)是很弱的顺磁体,不但在熔化时转变为抗磁体,而且在低温发生同素异构转变,成为灰锡(金刚石结构)的同时也成为抗磁体。这是因为原子间距变化引起自由电子减少和结合电子增多,从而导致金属性的损失,顺磁性下降、抗磁性增加
加工硬化
因为加工硬化使原子间距增大、电子云交互作用减小所引起抗磁性减弱
晶粒细化
使Bi,Sb,Se,Te的抗磁性降低,而Se和Te在高度细化时甚至成为顺磁体
都引起点阵畸变从而影响磁化率,它们影响的趋势使抗磁性降低
合金化
当Cu,Ag,Al,Au等低磁化率金属形成固溶体时。其磁化率以平滑的曲线随成分变化,但不成直线,表明形成固溶体时结合键发生了变化
(跟热膨胀率规律差不多)
将强顺磁的过渡族金属(如Pd)溶入抗磁金属Cu,Ag,Au中
在30%Pd以下使合金〔固溶体)抗磁性增强; 只有在Pd的浓度更高时,磁化率才变为正值并急剧上升到Pd所固有的高顺磁值
进入固溶体的Pd在30%以下是抗磁性的:这是由于Pd的d电子壳层被抗磁金属提供的自由电子所填满,离子的固有磁矩降低至零,抗磁性增大。 超过30%后,由于Pd的顺磁性离子增多,抗磁性减弱。
Pd的同族元素Ni和Pt溶入Cu中也使自己的磁化率减小,但保持微弱的顺磁性。
Cr和Mn溶入Cu中使固溶体的磁化率急剧地增高,以致于它们在固溶体中的顺磁性大于其本身处于纯金属状态的顺磁性,Mn的固溶体的顺磁磁化率甚至大于纯锰。
在低价的抗磁金属中加入铁磁金属(Fe,Co,Ni)时,合金的磁化率急剧增高,甚至低浓度的固溶体就能转变为顺磁体,这种顺磁体的磁化率将随温度升高而降低
如果在高价金属(Sb)溶入铁磁金属(Co),不但不起顺磁作用,反而增加抗磁。
也是自由电子填充轨道
合金固溶体有序化
由于溶质、溶剂原子间呈现有规则的交替排列,使原子间的结合力随之改变,影响电子的状态,从而磁性发生变化
(CuAu抗磁性减弱,Cu3Au、Cu3Pd、Cu3Pt抗磁性增强)
合金形成中间相和化合物相:由于生成了共价键和化学键,从而影响自由电子的顺磁性,使其出现抗磁特征(出现极值)
抗磁、顺磁测量方法
磁秤法
铁磁性
磁化曲线
即对退磁状态的材料施加磁场下的磁感应强度曲线
磁滞回线
μa
起始磁导率
μm
最大磁导率
Ms
饱和磁化强度
Bs
饱和磁感应强度
Hc
矫顽力
Br
剩磁
磁能积
第二、四象限中矩形的最大面积
Q
磁滞损耗,指磁滞回线所包围的面积,用于表征磁化一周时所消耗的功
磁晶各向异性
指沿铁磁晶体(单晶体)的各个晶向的磁化难易程度不同
磁晶各向异性能
由于磁晶各向异性所引起的附加自由能△F(等于磁化功差值);对称性越差、各向异性常数K较大
磁致伸缩
铁磁体在磁场中磁化,其形状和尺寸都会发生变化(伸长或缩短),这种现象称为磁致伸缩
λ>0时,表示沿磁场方向的尺寸伸长,称为正磁致伸缩;Fe
λ<0时,表示沿磁场方向的尺寸缩短,称为负磁致伸缩;Ni/Co
磁致伸缩效应是由于原子磁矩有序排列时,电子间的相互作用导致原子间距的自发调整而引起
极化强度越大,磁致伸缩越大
磁弹性能
材料磁化过程中由于磁致伸缩受到约束,材料内部产生应力,因而存在弹性能
形状各向异性
铁磁体的磁化强度与铁磁体的几何形状有关,形状不同的试样或同一材料的不同方向磁化难易程度不同;棒状试样磁化强度低于环状试样磁化强度
原因
棒状试样磁化后在其两端产生了磁极,该磁极除了在棒状试样的周围产生了磁场,在试样内部产生一个由N---S的磁场Hd,与试样磁化强度的方向相反,减弱了外磁场对试样的磁化作用,即有退磁场
Hd=(-NM)
N:退磁因子,与铁磁体的形状、尺寸有关;圆棒越粗短、退磁因子越大,退磁作用越强,样品越难磁化;
自发极化
自发磁化:在未加外磁场时,铁磁金属内部的自旋磁矩已经自发地排向了同一方向
磁畴:指在未加磁场时铁磁金属内部自发磁化到磁饱和态的微小区域
畴壁:相邻磁畴间的界面
形成磁畴时引起磁畴尺寸的伸长或缩短的现象——自发磁致伸缩
磁畴的形成与磁畴结构:满足热力学条件(能量最小化)
磁畴结构包括
磁畴形状、尺寸、畴壁类型与壁厚
畴壁能量
交换能、磁晶各向异性能、磁弹性能
形成磁畴是为了减小退磁能和磁致伸缩能,畴壁的形成是为了减小交换能,但增大了磁晶各向异性能,当磁畴变小使磁致伸缩能减小量与畴壁形成所增加的能量相等时,达到平衡态,即形成最小的稳定闭合畴。
磁畴形成条件
铁磁质自发磁化的根本原因在于原子磁矩,即要求原子固有磁矩不为零,即要求原子中必须有未填满电子的内层(具有较强的自旋磁矩)
自旋磁矩自发地排列在一个方向:点阵常数a与未填满的内壳层半径r之比值>3,但不能太大
太小是反铁磁
太大是顺磁
技术磁化
技术磁化:铁磁金属在外加磁场作用下产生的磁化(畴壁的迁移与磁畴的旋转)
起始磁化阶段(OA)
磁化强度M随外加磁场的增大缓慢增大,宏观上表现为较弱的磁化强度,这是由于在较弱的外磁场作用下,畴壁仅作较小的位移造成:锐角磁畴扩大,钝角磁畴减小,从而使磁体沿外场方向表现出磁性;畴壁的位移不大,故磁体磁化强度不大,且这种壁移为弹性壁移,若将外磁场减小到0,畴壁又会退回到起始位置而使磁化强度降为0,称为可逆壁移
急剧磁化阶段
磁化强度随外磁场的增加急剧上升,主要是在外磁场的驱动下,磁畴发生了不可逆壁移及磁矩不可逆转向;由于此时磁场驱动力足够大,使壁移得以克服内应力和杂质等阻力迅速位移,并导致所有钝角磁畴瞬时转变为锐角畴,从而使磁化强度剧增;由于畴壁克服较大的阻力得以迁移,即使去除外磁场,畴壁也不再退回原位,为不可逆壁移;
缓慢磁化并趋于磁饱和阶段
磁化强度随外加磁场的增加而缓慢增加并趋于磁饱和,对应的为锐角磁畴进一步转向外磁场方向的过程。由于磁畴转动必须克服磁各向异性能,故磁矩转动困难,导致磁化强度缓慢上升
造成畴壁可逆与不可逆壁移的临界磁场即为矫顽力
磁畴壁移动的阻力
磁体磁化所产生退磁场能
晶体内部的缺陷、应力、夹杂以及组织所造成的不均匀 (造成不可逆磁化的原因)
内应力理论
实际晶体中的晶体缺陷如空位、位错、间隙原子及溶质原子等均会产生组织应力;同时铁磁体磁化过程中本身产生的磁致伸缩效应,也会造成内应力,从而使畴壁在不同位置处的表面能密度不同,应力变化越大,矫顽力越高
杂质理论
杂质是指比基体相磁性低得多的相如弱铁磁相、非铁磁相和气孔等,由于杂质的存在使畴壁穿孔,并且杂质越多,畴壁面积越小,所以畴壁处于杂质穿孔多的位置时,畴壁总的自由能最低,在畴壁移动过程中由于畴壁能量的增加使其迁移过程为非自发态,因而产生阻力,杂质越多、颗粒越细小(弥散程度越高),矫顽力越大
反磁化过程
在反向磁场的作用下,与反向磁场成钝角的磁畴缩小,成锐角的磁畴长大,初期也有可逆壁移阶段,然后才开始不可逆的跳跃。随反向磁场的继续增强,磁化强度可能发生多次跳跃式降低,增强到临界值时,壁移将发生大跳跃,完全侵吞了正向磁畴
影响铁磁性的因素
温度
Ms
温度低于居里点时,由于温度升高使原子的热运动加剧,原子磁矩无序倾向增大,导致Ms下降。接近居里点时,原子磁矩无序倾向急剧增大,因此Ms急剧降低,在居里点处下降为零,即铁磁性消失,呈现顺磁性,这是由于温度升高,原子无规则的热运动加剧,逐渐削弱了自旋磁矩同向排列直至丧失自旋有序的结果。
Bs
Bs随温度的升高而下降,与Ms和温度的关系基本相似
Br
先增后降
Hc
随着温度的升高而下降,这是由于温度升高会引起K和λs降低以及应力松弛所造成的(降低了壁移阻力)
磁滞损耗Q
随温度的升高而下降
μ
比较复杂
强磁场中
由于温度升高会导致B值降低,故μ随之降低
弱磁场中
温度升高可引起应力松弛,有利于磁化,由此可以减小磁化过程的阻力,因此μ值不但没有下降,反而随温度升高而增大,当温度接近居里点时,急剧下降
应力
当应力的方向与金属的磁致伸缩系数为同号时,应力促进磁化,反号则对磁化起阻碍作用:即压应力有利于Ni、Co(负磁致伸缩材料)的磁化、拉应力有利于Fe(正磁致伸缩材料)的磁化;
形变
形变使磁导率显著降低,形变量越大,μ值下降显著、Hc越高
原因在于形变引起的点阵畸变和内应力的增高使壁移阻力增大,同时内应力也不利于磁矩的转动,因而磁化和退磁过程困难(再结晶退火相反)
Br
在压缩量为5~8%以下时,随压缩量的增大急剧降低,当压缩量>8%,Br随加工硬化程度的增大而逐渐增高;
晶粒
晶粒细化、晶界增多,磁化阻力增大,难以磁化(磁导率越低、矫顽力越大、磁致损耗越大)
杂质
夹杂物固溶于铁磁质中会造成点阵扭曲,呈夹杂物存在时则使畴壁穿孔,增大畴壁移动阻力, μ值下降、Hc上升(间隙固溶影响>置换固溶)
合金成分和组织
(1)形成固溶体
抗磁或顺磁金属溶入铁磁金属,由于铁磁金属外层轨道被填充,导致磁性能下降,溶质元素原子价越高,下降越剧烈
过渡族金属与铁磁金属组成固溶体时,改变了点阵常数,增强交互作用,对自发磁化有促进作用——当溶质浓度不高时,Ms增加;浓度较高时,由于溶质原子的稀释作用,Ms下降;
两种铁磁金属组成固溶体时,Ms变化较为复杂;
固溶体合金发生有序化时,Ms上升
(2)形成化合物
铁磁金属与顺磁或抗磁金属所组成的化合物和中间相,改变了铁磁金属中3d层的电子交互作用,呈顺磁性
铁磁金属与非金属所组成的化合物,由于两相邻原子的自旋磁矩呈反向平行排列,又没有完全抵消,因而呈亚铁磁性
常见的Fe3C、Fe4N属于弱铁磁相
(3)形成多相合金
如各相均为铁磁相,则满足线性相加关系(平均效应)
(4)钢中组织
强铁磁相
铁素体F、珠光体P、贝氏体B、马氏体M
矫顽力:细片状P>粗片状P>粒状P
弱铁磁相
渗碳体
顺磁相
奥氏体A、合金碳化物
随碳含量的增加,退火、淬火态下的Ms下降
原因在于退火时弱铁磁相Fe3C增大、淬火时顺磁相残余奥氏体量增大;
矫顽力随碳含量的增加而增加,且淬火态高于退火态
这是由于淬火形成马氏体(共格切变)时具有很高的内应力;
磁导率变化趋势相反