材料物理性能5b 第四章材料的磁性能.ppt

第四章 材料的磁性能主讲：胡木林2010年3月材料物理性能5.1 磁学现象及磁性 材料物理性能材料的磁性能 外磁场发生改变时，系统的能量也随之改变，这时就表现出系统的宏观磁性。在学童时代，我们都接触过磁现象：磁铁吸引铁片，同极相斥、异极相吸，接触过磁铁的大头针用细线吊起会自动南北指向，磁铁上的铁屑会形成毛刺并构成连线等等。磁性是物质的基本属性之一。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，还取决于原子间的相互作用键合情况、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。磁学基本量 材料物理性能材料的磁性能 环形电流在其运动中心处产生一个磁矩m(或称磁偶极矩)一个环形电流的磁矩定义为：式中：I为环形电流的强度，S为环流所包围的面积，m的方向可用右手定则来确定。将磁矩m放入磁感应强度为B的磁场中，它将受到磁场力的作用而产生转矩，其所受转矩为：磁矩与外磁场的作用能称为静磁能。处于磁场中某方向的磁矩所具有的静磁能为，材料物理性能材料的磁性能 磁场在真空中的磁感应强度为B0，其磁场强度H与B0的关系是，式中 ，称为真空磁导率。任何材料在外磁场作用下都会或大或小地显示出磁性，这种现象称为材料被磁化。一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁矩多少来衡量，称之为磁化强度M，将材料放入磁场强度为H的自由空间，材料中的磁感应强度为，式中 称为束缚电流的磁感应强度。材料物理性能材料的磁性能式中 称为相对磁导率。绝对磁导率为：式中 称为磁化率。物质磁性分类：材料物理性能材料的磁性能根据物质的磁化率，可以把物质的磁性大致分为五类：抗磁体磁化率 为很小的负数，大约在10-6数量级。它们在磁场中受微弱斥力。金属中约有一半简单金属是抗磁体。根据 与温度的关系，抗磁体又可分为：“经典”抗磁体，它的 不随温度变化，如铜、银、金、汞、锌等。反常抗磁体，它的 随温度变化，且其大小是前者的10一100倍，如铋、镓、锑、锡、铟、铜一锆合金中的 相等。材料物理性能材料的磁性能 顺磁体磁化率 为正值，大约在10-3 10-6数量级。根据 与温度的关系可分为：1)正常顺磁体，其 随温度变化符合 lT关系，如，金属铂、钯、奥氏体不锈钢、稀土金属等。2)与温度无关的顺磁体，例如锂、钠、钾、铷等金属。材料物理性能材料的磁性能在较弱的磁场作用下，就能产生很大的磁化强度。铁磁体 是很大的正数，且与外磁场呈非线性关系变化。具体金属有铁、钴、镍等。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表示。铁磁体是我们要重点介绍的磁性物质。材料物理性能材料的磁性能 这类磁体有些像铁磁体，但 值没有铁磁体那样大通常所说的磁铁矿、铁氧体等属于亚铁磁体。亚铁磁体 这类磁体的 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，其行为像顺磁体。反铁磁体 具体材料有一Mn、铬，还有如氧化镍、氧化锰等。材料物理性能材料的磁性能五类磁体的磁化曲线示意图原子本征磁矩、抗磁性和顺磁性 材料物理性能材料的磁性能 材料的磁性来源于原子磁矩。原子磁矩包括：电子轨道磁矩、电子自旋磁矩和原子核磁矩。电子轨道磁矩 电子绕原子核运动，犹如一环形电流，此环流也应在其运动中心处产生磁矩，称为电子轨道磁矩。设电子运动轨道的半径为 ，电子轨道运动的速度为 ，电子的电量为 ，质量为 。运动轨道的周期为：沿着圆形轨道的电流为：运动轨道的周期为：材料物理性能材料的磁性能因此，电子轨道磁矩为：因此，电子轨道磁矩是量子化的。电子轨道磁矩在外磁场方向上的分量，满足量子化条件：为玻尔磁子。材料物理性能材料的磁性能 实验和理论证明原子核磁矩很小，只有电子磁矩的几千分之一，通常不考虑它对原子磁矩贡献。电子除了做轨道运动还有自旋，因此具有自旋磁矩。实验测定电子自旋磁矩在外磁场方向上的分量恰为一个玻尔磁子：原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固有磁矩，也称本征磁矩。如果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，此时原子本征磁矩为，电子自旋磁矩材料物理性能材料的磁性能p 原子的磁矩 材料物理性能材料的磁性能p 原子的磁矩材料物理性能材料的磁性能p 原子的磁矩 材料物理性能材料的磁性能p 原子的磁矩 材料物理性能材料的磁性能p 原子的磁矩 材料物理性能材料的磁性能材料物理性能材料的磁性能材料物理性能材料的磁性能材料物理性能材料的磁性能 材料物理性能材料的磁性能 实验和理论证明原子核磁矩很小，只有电子磁矩的几千分之一，通常不考虑它对原子磁矩贡献。原子中电子的轨道磁矩和电子的自旋磁矩构成了原子固有磁矩，也称本征磁矩。如果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，此时原子本征磁矩为，p 原子的磁矩材料物理性能材料的磁性能p 宏观物质的磁性材料物理性能材料的磁性能材料物理性能材料的磁性能材料物理性能材料的磁性能材料物理性能材料的磁性能材料物理性能材料的磁性能 材料物理性能材料的磁性能 理论研究证明，在外磁场作用下，一个电子的轨道运动和自旋运动以及原子核的自旋运动都会发生变化，产生一附加磁矩m。q 抗磁性来源电子的轨道运动产生一附加磁矩感生磁矩。材料物理性能材料的磁性能 故可以说任何物质在外磁场作用下均应有抗磁性效应。但只有原子的电子壳层完全填满了电子的物质，抗磁性才能表现出来，否则抗磁性就被别的磁性掩盖了。凡是电子壳层被填满了的物质都属于抗磁性物质。例如惰性气体；离子型固体，如氯化钠等；共价键的碳、硅、锗、硫、磷等通过共有电子而填满了电子层，故也属于抗磁性物质；大部分有机物质也属于抗磁性物质。金属的行为比较复杂，要具体分析，其中属于抗磁性物质的有铋、铅、铜、银等。材料物理性能材料的磁性能q 顺磁性来源材料的顺磁性来源于原子的固有磁矩。产生顺磁性的条件就是原子的固有磁矩不为零：1)具有奇数个电子的原子或点阵缺陷；2)内壳层未被填满的原子或离子金属中主要有过渡族金属(d壳层没有填满电子)和稀土族金属(f壳层没有填满电子)。5.2 铁磁性和亚铁磁性材料的特性 材料物理性能材料的磁性能 铁磁性材料铁、钴、镍及其合金，稀土族元素镝以及亚铁磁性材料铁氧体等都很容易磁化，在不很强的磁场作用下，就可得到很大的磁化强度。磁学特性与顺磁性、抗磁性物质不同，主要特点表现在磁化曲线和磁滞回线上。磁化曲线 材料物理性能材料的磁性能铁磁性物质的磁化曲线(MH或BH)是非线性的。随磁化场的增加，磁化强度M或磁感强度B开始时增加较缓慢，然后迅速地增加，再转而缓慢地增加，最后磁化至饱和。磁化至饱和后，磁化强度不再随外磁场的增加而增加。称为饱和磁化强度；称为饱和磁感应强度。材料物理性能材料的磁性能起始磁导率 ：它相当于磁化曲线起始部分的斜率。技术上规定在0.10.001Oe磁场的磁导率为起始磁导率，它是软磁材料的重要技术参量。最大磁导率 ：它是磁化曲线拐点处的斜率，它也是软磁材料的重要技术参量。磁滞回线 材料物理性能材料的磁性能 将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H，则M也将减小，这个过程叫退磁。M不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变。当H减小到零，当H为一反向磁场Hc，剩余磁化强度剩余磁感应强度矫顽力内禀矫顽力试样的磁化曲线形成一个封闭曲线，称为滋滞回线。磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q。磁晶各向异性和各向异性能 材料物理性能材料的磁性能磁性各向异性在单晶体的不同晶向上，磁性能不同。磁化功示意图磁化功为了使铁磁体磁化，要消耗一定的能，它在数值上等于右图中阴影部分的面积。沿不同方向的磁化功不同。反映了磁化强度矢量()在不同方向取向时的能量不同。沿易磁化轴时能量最低(通常取此能量为基准)，沿难磁化轴时能量最高。磁化矢量沿不同晶轴方向的能量差代表磁晶各向异性能，用 表示，磁晶各向异性能是磁化矢量方向的函数。对于立方晶体，磁晶各向异性常数，同物质结构有关；而Ko代表主晶轴方向磁化能量，与变化的磁化方向无关。一般情况，K2较小可忽略，把K1视为晶体各向异性能常数。材料物理性能材料的磁性能铁、镍、钴沿不同晶向的磁化曲线铁磁体的形状各向异性及退磁能 材料物理性能材料的磁性能 铁磁体在磁场中的能量为静磁能。它包括铁磁体与外磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁场中的能量。后一种静磁能常称为退磁能。非取向的多晶体并不显示磁的各向异性，把它做成球形则是各向同性的。形状对磁性有重要影响。长片状试样，沿不同方向测得的磁化曲线是不同的，其磁化行为是不同的，这种现象称为形状各向异性。铁磁体的形状各向异性 材料物理性能材料的磁性能 铁磁体的形状各向异性是由退磁场引起的。当铁磁体表面出现磁极后，除在铁磁体周围空间产生磁场外，在铁磁体的内部也产生磁场。这一磁场与铁磁体的磁化强度方向相反，它起到退磁的作用，因此称为退磁场，如图所示。铁磁体的退磁场退磁场强度的表达式为，式中，N和D称为退磁因子。说明退磁场与磁化强度成正比。退磁因子的大小与铁磁体的形状有关。单位体积的退磁能可表示为，磁致伸缩与磁弹性能 材料物理性能材料的磁性能 铁氧体在磁场中磁化，其形状和尺寸都会发生变化，这种现象称为磁致伸缩。设铁磁体原来的尺寸为 ，放在磁场中磁化时，其尺寸变为 ，长度的相对变化为，称为线磁致伸缩系数。计算多晶体与磁化方向成 角的磁致伸缩系数公式，材料物理性能材料的磁性能 在非取向的多晶体材料中，其磁致伸缩是不同取向的晶粒的磁致伸缩的平均值，材料物理性能材料的磁性能 把铁磁物质和顺磁件物质的磁化情形做一比较，可以很清楚地看出它们的差别。5.3 磁性材料的自发磁化和技术磁化 从达些物质的原子磁矩来看，铁磁物质的原子磁矩和相似元素的原子磁矩并无本质的差别。例如过渡族的快础物质Fe，Co，Ni，与非铁磁性的Mn，Cr的原子内的3d层电子都是没什填满的壳层，原子都有一定的磁矩。怎样解释铁磁物质和顺磁物质的巨大差异呢？现在知道，物质是否具有铁磁性，关键不在于组成物质的原子本身所具有的磁矩的大小，而在于形成宏观物体后，原子之间的相互作用的不同。材料物理性能材料的磁性能q 自发磁化理论 铁磁性材料的磁性是自发产生的，所谓磁化过程(又称感磁或充磁)只不过是把物质本身的磁性显示出来，而不是由外界向物质提供磁性的过程。铁磁性产生的原因 实验证明，铁磁物质自发磁化的根源是原子(正离子)磁矩。而且在原子磁矩中起主要作用的是电子自旋磁矩。与原子顺磁性一样，在原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态是产生铁磁性的必要条件。材料物理性能材料的磁性能 根据量子力学理沦，物质内部相邻原子的电子之间有一种来源于静电的交换作用，它迫使各原子的磁矩平行或反平行排列。在铁磁物质内，这种作用的效果好象有一很强的磁场作用在各个原于磁矩上一样，使得各个原子磁矩按同一方向平行排列。以氢分子的模型，简单地分析氢分子内电子的交换作用。当两个原子的距离非常远时，两个原子之间无相互作用，两个原子中电子自旋的取向是互不干扰的。每个原子处于基态，能量为：材料物理性能材料的磁性能两个氢原子基态能量的总和为：当两个原子接近而结合成氢分子后，原子之间便产生了一些新的相互作用。这供新的相互作用及相应的势能是：材料物理性能材料的磁性能分子的能量不是简单地等于两个氢原子能量的相加，而是，不但与相互作用有关，而且与电子自旋的相对取向有关。根据量子力学，两个电子的自旋只能相互平行或反平行。在这两种不同状态下，是不相同的。对应的分子能量分别为：C是由于电子之间、原子核与电了之间的库仑作用而增加的能量项。材料物理性能材料的磁性能 可以看做是两个氢原于的电子交换位置而产生的相互作用能，称为交换能。属于静电性质的。能量E1和E2之中哪个比较低，取决于A的符号：1)如果A0，则E1E 2，即电子自旋反平行排列的状态为较低能态，是稳定态；2)如果A 0，则E1 E 2，即电子自旋平行排列的状态为较低能态，是稳定态；材料物理性能材料的磁性能 材料物理性能材料的磁性能 量子力学计算表明，当磁性物质内部相邻原子的电子交换积分A为正时(A0)，相邻原子磁矩将同向平行排列，从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因。理论计算证明，交换积分A不仅与电子运动状态的波函数有关，而且强烈地依赖于原子核之间的距离(点阵常数)。这种相邻原子的电子交换效应，其本质仍是静电力迫使电子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像强磁场一样。外斯分子场就是这样得名的。材料物理性能材料的磁性能 只有当原子核之间的距离与参加交换作用的电子距核的距离(电子壳层半径)之比大于3时，交换积分才有可能为正1)铁、钴、镍以及某些稀土元素满足自发磁化的条件；2)铬、锰的A是负值，不是铁磁性金属，但通过合金化作用，改变其点阵常数，便可得到铁磁性合金。材料物理性能材料的磁性能铁磁性产生的条件是：原子内部要有未填满的电子壳层；Rabr大于3使交换积分A为正；前者指的是原子本征磁矩不为零；后者指的是要有一定的晶体结构。材料物理性能材料的磁性能 根据自发磁化的过程和理论，可以解释许多铁磁特性。例如温度对铁磁性的影响。当温度升高时，原子间距加大，降低了交换作用，同时热运动不断破坏原子磁矩的规则取向、故自发磁化强度下降。直到温度高于居里点，以致完全破坏了原子磁矩的规则取向，自发磁矩就不存在了，材料由铁磁性变为顺磁性。同样，可以解释磁晶各向异性、磁致伸缩等。材料物理性能材料的磁性能q 反铁磁性 前面的讨论使我们知道，邻近原子的交换积分A0时，原子磁矩取同向平行排列时能量最低，自发磁化强度Ms不为0，从而具有铁磁性。如果交换积分A0时，则原子磁矩取反向平行排列能量最低。如果相邻原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自发磁化强度等于零。这样一种特性称为反铁磁性。研究发现，纯金属Mn、Cr等属于反铁磁性物；还有许多金属氧化物如MnO、Cr2O3、CuO、NiO等也属于反铁磁性物质。材料物理性能材料的磁性能 亚铁磁性物质由磁矩大小不同的两种离子(或原子)组成，相同磁性的离子磁矩同向平行排列，而不同磁性的离子磁矩是反向平行排列。由于两种离子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差表现为宏观磁矩，这就是亚铁磁性。具有亚铁磁性的物质绝大部分是金属的氧化物，是非金属磁性材料，一般称为铁氧体(又称磁性瓷)。按其导电性而论属于半导体，但常作为磁介质而被利用。它不易导电，其高电阻率的特点使它可以应用于高频磁化过程。q 亚铁磁性 材料物理性能材料的磁性能q 磁畴 外斯假说认为自发磁化是以小区域磁畴存在的。各个磁畴的磁化方向是不同的，所以大块磁铁对外不显示磁性。磁畴已为实验观察所证实。从对磁畴组织的观察中，可以看到有的磁畴大而长，称为主畴，其自发磁化方向必定沿晶体的易磁化方向；小而短的磁畴叫副畴，其磁化方向就不一定是晶体的易磁化方向，相邻磁畴的界限称为磁畴壁，可分为两种：一种为180o磁畴壁，另一种称为90o磁畴壁。材料物理性能材料的磁性能 磁畴壁是一个过渡区，有一定厚度。磁畴的磁化方向在畴壁处不能突然转一个很大角度，而是经过畴壁的一定厚度逐步转过去的，即在这过渡区中原子磁矩是逐步改变方向的。磁畴壁具有交换能、磁晶各向异性能及磁弹性能。材料物理性能材料的磁性能 磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为磁畴结构。同一磁性材料，如果磁畴结构不同，则其磁化行为也不同。因此说磁畴结构类型的不同是铁磁性物质磁性干差万别的原因之一。畴壁内部的能量总比畴内的能量高，壁的厚薄和面积的大小都使它具有一定的能量。磁畴结构受到交换能、各向异性能、磁弹性能、磁畴壁能、退磁能的影响。材料物理性能材料的磁性能可以从能量的观点来研究磁畴的形成过程：1)交换能力图使整个晶体自发磁化至饱和，磁化方向沿着晶体易磁化方向，这样就使交换能和磁晶各向异性能都达到最小值，但必然在其端面处产生磁极；材料物理性能材料的磁性能2)有磁极存在就必然产生退磁场，从而增加了退磁场能。退磁场将要破坏已形成的自发磁化，两个矛盾相互作用使大磁畴分割为小磁畴，如图6.15(b)、(c)、(d)所示。减少退磁能是分畴的基本动力。材料物理性能材料的磁性能3)分畴后退磁能虽然减少，却增加了畴壁能，因此不能无限制地分畴。4)随磁畴数目的增加。退磁能减少，畴壁能增加，当达到畴壁能与退磁能之和为最小值时，分畴就停止了，从而达到一种平衡状态的畴结构。实际使用的铁磁物质大多数是多晶体。多晶体的晶界、第二相、晶体缺陷、夹杂、应力、成分的不均匀性等对畴结构有显著的影响，因而实际晶体的畴结构是十分复杂的。在多晶体中，每一个晶粒都可能包括许多磁畴。在一个磁畴内磁化强度一般都沿晶体的易磁化方向。材料物理性能材料的磁性能q 技术磁化理论 技术磁化过程，就是外加磁场对磁畴的作用过程，也就是外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向(或近似外磁场方向)的过程。它与自发磁化有本质的不同。技术磁化是通过两种形式进行的：一是磁畴壁的迁移，一是磁畴的旋转。磁化过程中有时只有其中一种方式起作用，有时是两种方式同时作用。磁化曲线和磁滞回线是技术磁化的结果。材料物理性能材料的磁性能技术磁化过程分区示意图：I.区称为磁畴壁可逆迁移区；II.区为不可逆迁移区，又称巴克豪森跳跃区；III.区称为磁畴旋转区。材料物理性能材料的磁性能1)在未加外磁场时，材料是自发磁化形成的两个磁畴，磁畴壁通过夹杂相；2)当外磁场H逐渐增加时，与外磁场方向相同(或相近)的那个磁畴的壁将有所移动，壁移的过程就是壁内原子磁矩依次转向的过程，最后可能变为几段圆弧线(如团中影线所示)，但它暂时还离不开夹杂物。如果此时取消外磁场，则畴壁又会自动迁回原位，因为原位状态能量最低。这就是所谓可逆迁移阶段。畴壁的迁移过程：材料物理性能材料的磁性能3)当外磁场继续增强，一旦弧形磁畴壁的总长超过不通过夹杂物时的长度(如图中点虚线)时，则畴壁就会脱离夹杂物而迁移到点虚线位置，从而自动迁移到下一排夹杂物的位置，处于另一稳态。完成这一过程后，材料的磁化强度将有一较大的变化，相当于磁化曲线上的陡峭部分，磁导率较高。畴壁的这种迁移，不会由于磁场取消而自动迁回原始位置，故称不可逆迁移；材料物理性能材料的磁性能4)继续增加外磁场，则促使整个磁畴的磁矩方向转向外磁场方向。这个过程称为畴的旋转，即曲线第区。旋转的结果，使磁畴的磁化强度方向与外磁场方向平行，此时材料的宏观磁性最大，达到了饱和。以后再增加外磁场，材料的磁化强度也不会再增加，因为磁畴的磁矩方向都转到外磁场方向上去了。材料物理性能材料的磁性能影响磁畴壁迁移的因素：a)铁磁材料中夹杂物、第二相、空隙的数量及其分布；b)内应力起伏的大小和分布，起伏愈大，分布愈不均匀，对峙壁迁移阻力愈大。为提高材料磁导率就必须减少夹杂物的数量，减小内应力；c)磁晶各向异性能的大小。因为壁移实质上是原子磁矩的转动，它必然要通过难磁化方向，故降低磁品各向异性能也可提高磁导率；d)磁致伸缩和磁弹性能也影响壁移过程，因为壁移也会引起材料某一方向的伸长，另一方向则要缩短，故要增加磁导率，应使材料具有较小的磁致伸缩和磁弹性能。材料物理性能材料的磁性能q 磁滞理论影响合金铁磁性和亚铁磁性的因素 材料物理性能材料的磁性能1)温度对铁磁和亚铁磁性影响 由铁磁性材料的铁磁性与温度的关系曲线可见，高于某一温度后，饱和磁化强度风降低到零，表示铁磁性消失，材料变成顺磁性材料。这个转变温度称为居里温度，它是决定材料磁性能温度稳定性的一个十分重要的物理量。材料物理性能材料的磁性能 亚铁磁性是由不同相，但磁矩方向相反的磁结构构成，故形成亚铁磁性。每个磁结构因磁性来源不同，故当温度增加时，每种磁结构对温度反应不会完全相同。在某一温度下，亚铁磁性材料的磁化强度M0，该温度被称为补偿温度Tcomp(亦称补偿点)。这种效应在磁光记录中得到了应用。材料物理性能材料的磁性能2)加工硬化的影响 加工硬化引起晶体点阵扭曲、晶粒破碎，内应力增加，所以会引起与组织有关的磁性改变。材料物理性能材料的磁性能3)合金元素含量的影响马氏体的饱和磁化强度同含碳量关系的经验公式：材料物理性能材料的磁性能镍含量对FeNi合金磁性的影响：材料物理性能材料的磁性能 合金中析出第二相以及它的形状、大小、分相对于组织敏感的各磁性能影响极为显著。材料物理性能材料的磁性能 铁磁性合金经热处理后组织发生了变化，其磁性也将发生变化。磁畴的观察 材料物理性能材料的磁性能 粉纹法 这个方法先把要观察的样品表面进行处理，然后敷上一薄层含有铁磁粉末的悬胶，放在反射显微镜下观察。露在样品表面上的磁畴分界线上有磁极存在，因而有杂散磁场，悬胶中的铁磁粉末被吸聚在那里，显出磁畴界壁。这样就可以观察到磁畴的大小和形状等。右图是硅钢单晶磁畴的显微相片。材料物理性能材料的磁性能 磁光效应法 平面偏振光在铁磁物质表面反射，或在透明的铁磁物质中透射时，偏振面都会旋转一个角度。前一种现象称为克尔效应，后一种现象称为法拉第效应。这两种效应都可以用来观察磁畴。利用克尔效应观察磁畴的装置：材料物理性能材料的磁性能 由于各碰畴的磁化方向不同，在各磁畴上反射的光线的偏振面的旋转角也不同。因此各磁畴显出的明暗程度就有差别。可以转动检偏器使磁畴的深浅差别达到最清楚为止。