奥氏体不锈钢的磁性问题

奥氏体不锈钢为什么没有磁性
小于
磁性分为抗磁性、铁磁性、顺磁性以及反磁性。

顺磁性特征，不论外加磁场是否存在，原子内部存在永久磁矩。

但在无外加磁场时，由于顺磁物质的原子做无规则的热运动，宏观看来，没有磁性；在外加磁场作用下，每个原子磁矩比较规则的取向，物质显示极弱的磁性。

铁磁性物质和顺磁性物质的主要差异在于：即使在较弱的磁场内，前者也可得到极高的磁化强度，而且当外磁场移去后，仍可保留极强的磁性。

铁磁性物质很强的磁性来源于其很强的内部交换场。

而奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢同是铁元素物质为什么一个是铁磁性物质而另一个却是反磁性的呢。

这要从磁性的来源说起。

一磁性的来源
物质的磁性来自构成物质的原子，原子的磁性又主要来自原子中的电子。

原子中电子的磁性有两个来源。

一个来源是电子本身具有自旋，因而能产生自旋磁性，称为自旋磁矩；另一个来源是原子中电子绕原子核作轨道运动时也能产生轨道磁性，称为轨道磁性（另外因为原子核运动速度仅为电子的几千分之一，因此原子原子核运动产生的磁矩忽略不计）。

我们知道，物质是由原子组成的，而原子又是由原子核和位于原子核外的电子组成的。

如果一个原子的核外电子数量多，那么电子会分层，每一层有不同数量的电子。

第一层为1s，第二层有两个亚层2s和2p，第三层有三个亚层3s、3p和3d，依此类推。

原子核好象太阳，而核外电子就仿佛是围绕太阳运转的行星。

另外，电子除了绕着原子核公转以外，自己还有自转（叫做自旋），跟地球的情况差不多。

一个原子就象一个小小的“太
图1原子
阳系”（图1）。

在原子中，核外电子带有负电荷，是一种带电粒子。

电子的自转和公转都会产生磁矩，但电子的公转产生的轨道磁矩由于受到晶格场的作用，
其方向是变化的不能产生联合磁矩，对外不显示磁性，因此只考虑电子地自转产生的磁矩。

电子自传使电子本身具有磁性，成为一个小小的磁铁，具有N极和S 极。

也就是说，电子就好象很多小小的磁铁绕原子核在旋转。

这种情况实际上类似于电流产生磁场的情况。

既然电子的自转会使它成为小磁铁，那么原子乃至整个物体会不会就自然而然地也成为一个磁铁了呢？当然不是。

为什么只有少数物质（象铁、钴、镍等）才具有磁性呢？原来，电子的自转方向总共有上下两种。

在一些数物质中，具有向上自转和向下自转的电子数目一样多，如图2所示，它们产生的磁极会互相抵消，整个原子，以至于整个物体对外没有磁性。

只有少数物质（例如铁、钴、镍），它们的原子中有未被填满的电子壳层，内部电子在不同自转方向上的数量不一样，这样，在自转相反的电子磁极互相抵消以后，还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消，如图3所示。

这样，整个原子具有总的磁矩。

以铁原子为例原子序数为26，共有26个电子，电子层分布为1s22s22p63s23p63d64s2。

可以看出，除3d子层外各层均被电子填满，自旋磁矩被抵消。

根据宏特法则，电子在3d子层中应尽可能填满到不同的轨道，并且他们的自旋尽量在同一个方向上（平行自旋）。

因此五个轨道中除了有一条轨道必须填入2个电子（自旋相反平行）外，其余4个轨道均只有一个电子。

并且这些电子的自旋方向平行，由此总的电子自旋磁矩为4μB。

例如锌，具有各层都充满电子的原子结构，其电子磁矩相互抵消，因此不显示磁性。

其他钴的3d状态有三个空位，镍的3d 态有二个空位。

如果使充填的电子自旋磁矩按同向排列起来，将会得到较大磁矩，理论上铁有4μB，钴有3μB，镍有2μB。

图2向上与向下自转的电子数相等
图3向上与向下自转的电子数不等
综上所述，铁磁性产生的重要条件之一即：原子内部要有未填满的电子壳层。

但事实证明，具有末填满的电子壳层的电子结构也仅是材料具有磁性的必要条
件，但不是充分条件。

如锰在3d态上有五个空位，若同向排列，则它们自旋磁矩的应是5μB，但它并不是铁磁性元素。

又比如同是铁，奥氏体不锈钢没有磁性、而铁素体不锈钢就有磁性，故产生铁磁性不仅仅在于元素的原子磁矩是否高，而且还要考虑形成晶体时，原子之间相互键合的作用是否对形成铁磁性有利。

这是形成铁磁性的第二个条件：拥有恰当的晶体结构。

更准确的讲就是恰当的晶体结构中的“交换作用”所产生的交换能足以使得因电子自传而形成的“小磁铁”方向相同，从而对外显示磁性。

根据键合理论可知，原子相互接近形成分子时，电子云要相互重叠，处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相互作用。

这种相互作用称为交换作用。

这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子已不再局限于原来的原子，而是公有化了。

原子间好像在交换电子，故称为交换作用。

而由这种交换作用所产生的交换能J与晶格的原子间距有密切关系。

对于过渡族金属，原子的3d的状态与s态能量相差不大，因此它们的电子云也将重叠，引起s、d状态电子的再分配。

这种交换便产生一种交换能J(与交换积分有关)，此交换能有可能使相邻原子内d层末抵消的自旋磁矩同向排列起来。

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为正时(A＞0)，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。

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。

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，而且强烈地依赖子原子核之间的距离Rab (点阵常数)，如图4所示。

由图可见，只有当原子核之间的距离Rab与参加交换作用的电子距核的距离(电子壳层半径)r之比大于3，交换积分才有可能为正。

铁、钴、镍以及某些稀土元素满足自发磁化的条件。

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，使得Rab /r之比大于3，便可得到铁磁性合金。

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Ms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。

图4
综上所述，铁磁性产生的条件：①原子内部要有末填满的电子壳层；②及Rab／r之比大于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。

由图5所示，当晶格中原子间距很大时，J接近于零。

随着距离的减少，相互作用有所增加，J 为正值，就呈现出铁磁性，当原子间距a与未被填满的电子壳层直径D之比大于3时，交换能为正，当a/D<3时，交换能为负，为反铁磁性。

奥氏体不锈钢就是因为面心立方结构，原子间距大，使得a/D<3，从而不显示磁性。

图5 交换能与铁磁性的关系
二 磁性分类。