材料物理性能四、五、六章

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1、材料物理性能 主讲教师：韩立影 * *1 1了解材料的磁性，对于研究材料结构及 相变是非常重要的。磁性材料被广泛使用于计算机、航空航天 、农业、医疗等技术领域，是重要的功能材 料。第四章磁性分析DateDate2 2材料磁性的本质:是材料内部电子的循轨和自旋运 动产生的 物理学：任一封闭电流都有磁矩， 其方向与环形电流法线方向一致，大小 =IS。 材料内部电子的循轨和自旋运动都可看作是一个闭 合的环形电流，因而必然会产生磁矩 第四章磁性分析4.1 磁性及其物理本质一、材料的磁性DateDate3 3 电子自旋运动产生的磁矩称为自旋磁矩.eg：Fe原子中共26个电子，电子层分布为1s2 2s2

2、2p6 3s2 3p6 3d6 4s2 除3d次电子层外，各层均被电子填满，自旋磁 矩被抵消。 当原子中有未被排满的电子层时，原子所具有的磁 矩为原子的固有磁矩。（由于未被排满的电子层电 子磁矩之和不为零） 根据洪特法则：电子在3d层中应尽可能填充到 不同轨道，并且它们的自旋尽量在同方向上(平行自 旋)见填充示意图。因此Fe原子的固有磁矩是4个电子磁矩的总和。 电子循轨运动产生的磁矩称为轨道磁矩。DateDate4 4每一个外层有s、p、d、f 四个亚层，四个亚层分别有1、3、 5、7个轨道。铁原子外层电子排布 3s2 3p6 3d61s2 2s2 2p64s2 DateDate5 5铁使磁场

3、强烈地增强；铜使磁场减弱；铝虽使磁场增强，但很微弱 物质在磁场中由于受磁场的作用都呈现出一 定的磁性，这种现象称为磁化。 凡是能被磁场磁化的物质称为磁介质。 当磁介质在外加磁场H中被磁化时，会产生附加 磁场H，这时，其所处的总磁场强度为无外加磁场，宏观上材料不呈现出磁性； 当材料被磁化后，会表现出一定的磁性 物体的磁化未改变原子固有磁矩的大小，而 是改变了它们的取向。 二.材料的磁化通常DateDate6 6单位体积的磁矩称为磁化强度，用 表示 。 磁化强度与外加磁场强度 有关，还与物质本身 的磁化特性有关，即 磁化率，其值可正、可负。H=(4-5) 通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁

4、 力线数称为磁感应强度，用 表示，其单位为T(特斯 拉)，它与磁场强度的关系是 或 真空磁导率 (4-6)(4-7) DateDate7 7将式(4-5)代入式(4-6)可得 式中： 为相对磁导率； 为磁导率或导磁系数，单位与 相同， 它反应了磁感应强度B随外磁场H变化的速率。(4-8) DateDate8 8材料被磁化后： 使磁场减弱的物质称为抗磁性材料； 使磁场略有增强的为顺磁性材料； 使磁场强烈增加的为铁磁性材料。一.材料抗磁性与顺磁性的物理本质材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相反的 称为抗磁性， 0；材料被磁化后，磁化矢量与外加磁场方向相同的 称为顺磁性， 0 4.2 抗磁性与顺磁

5、性DateDate9 9把测量的磁感应强度B或磁化强度M与外加磁场强 度H的关系曲线称为磁化曲线抗磁与顺磁性材料的磁 化曲线如图4-1所示。 图4-1 抗磁与顺磁物 质的磁化曲线磁化强度与磁场强度之 间均呈直线关系;磁化率常数很小，但磁 化方向相反;当去除外磁场之后，仍 恢复到未磁化前的状态， 即存在磁化可逆性。4.2 抗磁性与顺磁性DateDate1010材料的抗磁性来源于电子循轨运动时受外加磁场 作用产生的抗磁矩 证明过程：取循轨运动方向相反的两个电子，如图4-2 图4-2 形成抗磁磁矩m的示意图电子循轨运动产生 的轨道磁矩大小为 (4-9) 电子电荷 电子循轨运动的角速度 轨道半径 1抗

6、磁性DateDate1111电子循轨运动时受到向心力 。 当电子受到垂直于运动轨道平面的磁场作用时，会 产生 ，称为洛伦兹力，它等于 。 当电子顺时针运动时，见图 (a)， 与 的方向 相同，这时增大了向心力 由 可知，若m和r不变，Fc的增大将导 致 增大 由式(4-9) 知，m必将相应增大m同理可证明，图 (b)中相反方向运动的电子也会增加 m。DateDate1212洛仑兹力的方向：左手定则伸开左手，使大拇指跟其余四指垂直，且处于 同一平面内，把手放入磁场中，让磁感线垂直穿 入掌心，四指指向正电荷运动的方向（或负电荷 运动的反方向），那么，拇指所指的方向就是运 动电荷所受洛仑兹力的方向。

7、DateDate1313材料的顺磁性主要来源于原子(离子)的固有磁矩 材料的顺磁磁化过程：无外加磁场时，原子的固有磁矩呈无序状态分布， 宏观上不呈现出磁性，见图 (a) 图4-3顺磁磁化过程示意图 (a)无磁场 (b)弱磁场 (c)强磁场当施加外磁场时，为了降低磁矩的静磁能，磁矩将改 变与磁场间的夹角，便产生了磁化，见图 (b)(c)。静磁能是指原子磁矩与外加磁场的相互作用能。 随着磁场的，磁矩与磁场的夹角，磁化不断。2顺磁性DateDate14141.原子结构的影响 绝大多数非金属都是抗磁性物质，只有氧和石墨是 顺磁性物质金属Cu、Ag、Au、Cd、Hg等是抗磁性的所有的碱金属、碱土金属（除

8、Be外）都是顺磁性的 2.温度的影响温度对抗磁性一般没有什么影响，但会使抗磁磁化 率发生变化温度对顺磁性影响很大一部分物质x=C/T，另一部分物质x=C/（T+） 。二.影响材料抗磁性与顺磁性的因素DateDate15153.相变及组织转变的影响例如：正方晶格的白锡转变为金刚石结构的灰锡时 ，x明显变化加工硬化使金属原子间距而密度，例如：当高度 加工硬化时，Cu由抗磁变为顺磁，退火使铜的抗磁 性恢复。 4.合金成分与组织的影响见图二.影响材料抗磁性与顺磁性的因素DateDate1616磁化率随合金成分变化规律 DateDate1717(1)确定合金相图中的最大溶解度曲线 单相固溶体的顺磁性比两

9、相混合组织的顺磁性高; 混合物的顺磁性与合金成分之间呈直线关系.三. 抗磁与顺磁分析的应用磁化率变化合金的成分 组织 结构变化合金成分与顺磁性的关系：DateDate1818三. 抗磁与顺磁分析的应用eg:确定Al-Cu合金的溶解度曲线时，可取不同成 分的合金，加热到不同T淬火后，测量其磁化率，作出和成分的关系曲线，图4-4示 下面几条曲线分别表示 300、400、450与 500淬火后的 变化 曲线 在不同T淬火后的 曲线可分为两个部分，在b、c 、d、e与f处曲线发生转折 20曲线表示退火态；DateDate1919以450曲线为例 ：ae段对应的成分，淬 火后得到了过饱和固溶 体。在得到

10、固溶体时， 溶质浓度越高， 越多 ，且较快。e点后的合金在相同T淬火加热时，组织为铜铝 固溶体与CuAl2的两相混合物，所以e点的成分即为 450加热时，Cu在Al中的最大溶解度Cu只有一部分溶入 Al中，还有一部分以 CuAl2的形式存在这时虽然合金的磁化 率仍随着含铜量的 而，但显然得较慢 ，而且呈直线DateDate2020图4-4 Al-Cu合金的磁化系数 与成分和淬火温度的关系同理：b、c、d、e与f各点对应的成分都 是相应T下的最大溶解度 将这些点换成T与成分的关系曲线, 可得Al- Cu合金的最大溶解度曲线 DateDate2121图4-5 Al-Cu合金淬火和退 火状态的磁化率

11、与T的关系(2)研究铝合金的分解 顺磁性合金：合金分解为了研究淬火Al合金的分解情况，需要测出 与加 热T的关系曲线取含Cu5的Al合金分别进行退火与淬 火，然后加热到不同T测量其 ，测量结果如图示 Eg:分析铝铜合金的分解磁化曲线改变DateDate2222 随着T，淬火试样的 不断；退火试样组织不变，只 是受到T影响，使 单调 分析： Al合金的顺磁 淬火后比退 火后显著，说明淬火使Al与 Cu形成了过饱和固溶体。Cu的抗磁作用对Al 的顺磁影响较大，使 合金的顺磁 显著 。 退火态的合金中，有94 的Cu以 CuAl2相存在，因此Cu对Al的顺磁性 影响较小，故 比淬火态的高。由于从过饱

12、和固溶体中析出了富铜相 DateDate23231与2曲线比较得：合金的磁化率总比纯铝的低 。 当T达到500后，淬火 与退火试样的曲线重合 ，表示过饱和固溶体分 解完成，得到稳定的平 衡组织。 测定磁化率还可以用于研究材料有序无序转 变、同素异构转变与确定再结晶温度等。是抗磁金 属铜的作 用造成的DateDate2424铁磁性材料都是金属，它们的铁磁性来源子原子未 被抵消的自旋磁矩和自发磁化 4.3金属及合金的铁磁性、铁磁性的测量及应用铁磁性材料在外加H的作用下，可产生很强的磁化， 其磁化矢量与外加H的方向一致。一、铁磁材料的原子组态和原子磁矩DateDate2525过渡族金属的3d层都未被

13、电子填满，这些 金属原子都有剩余的自旋磁矩在3d过渡族金 属中，铁、钴、镍是铁磁性材料，下表列出了 它们原子的3d层电子填充情况。表4-1 铁、钴、镍原子的外层电子填充规律一、铁磁材料的原子组态和原子磁矩DateDate2626金属具有铁磁性锰、铬等元素也有剩余的自旋磁矩，但不 是铁磁性金属原子有未被抵消的自旋磁矩产生自发磁化。 自旋磁矩 自发地同 相排列一、铁磁材料的原子组态和原子磁矩DateDate2727没有外磁场时，材料发生的磁化称为自发 磁化. 金属内部的自发磁化是由于电子间的相互 作用产生的两个原子接近时，它们的3d和4s层的电子 可相互交换位置，使相邻原子自旋磁矩产生有 序排列因

14、交换作用产生的能量称为交换能用 Eex表示。 二、自发磁化DateDate2828A交换能积分常数；S1 、 S2分别是两个电子的自旋动量矩矢量；两个自旋动量矩夹角，S S1与S2的模，因S1与S2是同类电子，所以它们 的模相等。(4-12) 二、自发磁化DateDate2929根据量子力学推导和计算，得出了一条交 换积分常数与ar的关系曲线，见图4-6 图中：a 原子间距,r 未填满壳层 的原子半径 从曲线中可以看出： 当ar3时，Ao；而当ar3时，A0 。 图4-6 交换能常数A与 ar之间的关系 二、自发磁化DateDate3030A0时，当、cos-1时，Eex为最低 值，即自旋磁矩

15、反向排列时能量最低 A0时，当0、cos=1时，Eex为最低值 ，即自旋磁矩同向排列时能量最低，形成自发 磁化 铁、钴、镍的A为较大的正值，因此有较强 的自发磁化倾向。 某些稀土元素也具有自发磁化倾向，但其A 值很小，相邻原子间的自旋磁矩同向排列作用 很弱，原子振动极易破坏这种同向排列，在常 温下呈现为顺磁性。 DateDate3131当铁磁物质磁化时，沿不同方向磁化所产 生的磁化强度不同。磁化强度沿不同晶轴方向的不同称为磁晶 的各向异性能。 铁磁物质磁化时，沿磁化方向发生长度的 伸长或缩短的现象称为磁致伸缩效应三.磁各向异性与磁致伸缩铁磁性物质磁化时的特征 磁致伸缩效应。磁各向异性DateDate3232式中： 铁磁体的原始长度，沿磁化方向长度的改变 0，沿磁化方向尺寸伸长，称为正磁致 伸缩，eg：铁属这种情况；0，沿磁化方向尺寸缩短，eg：镍属 这种情况 三.磁各向异性与磁致伸缩此效应可用磁致伸缩系数 表示： DateDate3333对 0的材料进行磁化时:随着外磁场H的