第三章;磁学性能(铁磁性及其物理本质)

亚铁磁性
交换积分A＜0，则原于磁矩取反向平行排列能量 最低。如果相邻原子磁矩不等，原子磁矩不能相互抵 消，存在自发磁化。这样一种特性称为亚铁磁性。
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。 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。磁性离子间并不存 在直接的交换作用，而是通过夹在中间的氧离子形成间 接的交换作用，称为超交换作用。
交换能使畴壁厚度大，磁晶能使畴壁厚度减 小。两种能量竟争使畴壁具有一定的厚度。 磁畴壁的厚度本着能量最小原则。
3.7.2 磁畴的起因与结构
磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度总称为 磁畴结构。 形成磁畴是为了降低系统的能量（主要是降低 退磁能和磁弹性能）。因磁畴结构受交换能、 磁晶能、磁弹性能、畴壁能和退磁能的影响， 平衡状态时的磁畴结构，应使这些能量之和为 最小值。
简述磁畴的形成过程
• 答：磁畴的形成符合能量最小条件，使系统能量降低到最低， 以维持系统的能量平衡。磁畴的形成过程如下： • （1）假设在磁晶体中存在一个自发的磁化区，磁化区的两极 则会产生以较高的退磁场。如图a所示 • （2）如果将上述磁化区分割成两个区域，则退磁场将会降低， 如继续分割，则会一直减小，有减小到零的趋势。如图b所示 • （3）如果形成封闭的结构，则退磁场减小为零，没有自由磁 极。闭合磁畴的形成使磁致伸缩不同而产生弹性能和磁晶能。 如图c所示 • （4）为了降低磁弹性能，磁畴将沿基本磁化方向分割为更小 磁畴，但磁畴的分割又增加了畴壁能，当两者能量平衡时，即 形成能量最小的稳定的闭合磁畴。如图d所示 • 单晶体磁畴结构示意图
第三章 材料的磁学性能
3.3.1铁磁质的自发磁化
“分子场”来源于电子间的静电相互作用。 实验证明铁磁质自发磁化的起因是源于原子未被 抵消的电子自旋磁矩，而轨道磁矩对铁磁性几乎无贡 献。 物质具有铁磁性的基本条件： (1)物质中的原子有未填满的电子壳层，是必要条件
(2)自旋磁矩必须自发排列在同一方向上，即自发磁 化是产生铁磁性的充分条件。
3.6
铁磁体的形状各向异性及退磁能
铁磁体在磁场中具有的能量称为静磁能，它包括 铁磁体与外磁磁场的相互作用能和铁磁体在自身退磁 场中的能量，后者常称为退磁能。 铁磁体的形状各向异性是由退磁场引起的，当铁 磁体磁化出现磁极后，这时在铁磁体内部由磁极作用 而产生一个与外磁化场反向的磁场，因它起到退磁 （减弱外磁场）的作用，故称为退磁场，用Hd表示。
3.8 铁磁金属的技术磁化过程
• 技术磁化过程实质使外加磁场对磁畴的作用过程，即外磁 场把各个磁畴的磁矩转到与外加磁场方向相同的过程，技 术磁化过程如下： • （1）当外加磁场较弱时，自发磁化方向与外加磁场方向 成锐角的磁畴则易磁化而扩张，成钝角的磁畴则缩小。畴 壁发生迁移，此阶段由于外加磁场较弱而可逆，磁化曲线 较为平坦，因此称为可逆迁移区Ⅰ • （2）随外加磁场增加，某些与磁场成钝角的磁畴将发生 瞬时的转向，转向与磁场成锐角易磁化的方向，大量原子 瞬时的转向，表现出强烈的磁化，此阶段因外加磁场较强 而不可逆，称为不可逆迁移区Ⅱ，这种迁移将使所有原子 磁矩都转向外加磁场成锐角易磁化方向，而使晶体成为单 畴。 • （3）当外加磁场继续增加时，则整个单畴晶体的磁矩方 向将逐渐转向外加磁场方向。该过程称为磁畴的旋转，即 磁畴旋转区Ⅲ。当晶体的单畴磁化强度矢量与外加磁场方 向完全一致时，即达饱和状态，完成整个磁化过程。 • 磁化曲线分区示意图
[110]
相邻原子间电子轨道还有交换作用，由于自旋-轨 道相互作用，电荷的分布为旋转椭球性，非对称性与 自旋方向密切相关，所以自旋方向相对于晶轴的转动 将使交换能改变，同时也使原子电荷分布的静电相互 作用能改变，导致磁各向异性。
3.5
磁致伸缩与磁弹性能
铁磁性物质的尺寸和形状在磁化过程中发生形变的 現象，叫磁致伸缩。 产生原因： 原子磁矩有序排列时，电子间的相互作用导致原子 间距的的自发调整。 当磁致伸缩引起的形变受到限制，在材料内部将产 生应力，因而存在一种弹性能，称为磁弹性能。
Rab-原子间距 r未填满的电子层半 径
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。
铁磁质受热原子间距离增大，电子间交换作用 减弱，自发磁化减弱，当高于一定温度时交换作用 被破坏，表现为顺磁性，这个转变温度被称为居里 温度。
铁磁性
反铁磁性
亚铁磁性
反铁磁性和亚铁磁性的物质可以看作由两套亚点阵 组成，每个亚点阵中的离子磁矩同向平行排列，不同亚 点阵反向平行。
3.4
磁晶各向异性和各向异性能
磁各向异性 对于铁磁单晶的研究发现，沿不同晶向的磁化 曲线不同。这种在单晶体的不同晶向上磁性能不同 的性质，称为磁的各向异性。
[100]
因物质由许多小磁畴组成的。在未受到磁场作用时， 磁畴方向是无规则的，因而在整体上无外加磁场时不显 示磁性
磁畴的结构 主畴： 大而长的磁畴，其自发磁化方向沿晶 体的易磁化方向。相邻主畴磁化方向相 反。
副畴： 小而短的磁畴，其磁化方向不定。 磁畴壁：
相邻磁畴的界限区域称为磁畴壁，分为两种：
（1）180º 壁。相邻磁畴的磁化方向相反。 （2）90º 壁。相邻磁畴的磁化方向垂直。
(A﹤0，θ=180°)时，则反向平行排列，呈反铁磁性。
交换能积分常数A不仅与电子运动状态的波函数有关， 还强烈依赖于原子核间的距离和未填满壳层半径有关。
当 Rab／r ﹥3， A﹥0 ，满足自发磁 化的条件，为铁磁性
当 Rab／r 太大， 原子之间的距离太 大，电子云不重叠或重叠太少，不能满 足自发磁化的条件，为顺磁性。 当 Rab／r ﹤ 3， A﹤0，则反向 排列， 为反铁磁性 铁磁性产生的充要条件： 原子内要有为填满的电子壳层，满足 Rab／r ﹥3使A﹥0。 前者指的是原子本征（固有）磁矩不为 零；后者指的是要有一定的晶体结构。
三、研究过冷奥氏体的等温转变
A→M B P 磁性发生变化 A属于顺磁性 磁饱和强度与组织产物成正比 四、研究过冷奥氏体的等温转变 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。
二、研究淬火钢的回火转变
回火四个阶段组织转变导致磁性的变化→由磁性变化说明发生的组织转 变。
20-200℃ 曲线降低，说明强铁磁相的马氏 体发生了分解，加热曲线和冷却曲线不重合 说明试样内部组织发生了转变，即马氏体析 出亚稳的碳化物，使磁饱和强度降低。 200-300 ℃ 曲线升高，主要是顺铁磁性残 余奥氏体发生分解，转变为强铁磁相的马氏体。 300-350 ℃ 残余奥氏体分解完毕，马氏体继续 分解，析出弱铁磁性的亚稳碳化物，导致曲线下降 350-500 ℃ 亚稳碳化物转变为稳定的碳化物，碳化 物的形成导致基体铁素体数量减少而导致曲线下降 加热和冷却曲线不重合说明回火组织未稳定为平衡态 500 ℃以上，回复再结晶，碳化物聚集长大，磁饱和 强度随温度单调下降，加热曲线和冷却曲线可逆。
磁畴壁具有交换能ECX、磁晶能EK及磁弹性能。 磁交换能：逐渐转向比突然转向要容易进行， 因此交换能小，畴壁越厚交换能越小。 磁晶能：畴壁越厚，原子磁矩的逐渐转向，使 原子磁矩偏离了易磁化的方向，磁晶能增加。 磁弹性能：原子的逐渐转向，各个方向上的伸 缩难易不同，因此产生弹性能。 畴壁内的能量比磁畴内要高
应力与磁致伸缩一致时，对磁化起促进作 用，相反则起阻碍作用。 形变造成点阵畸变及扭曲，晶粒破碎， 内应力增加而造成技术磁化困难。结晶和 退火则相反 晶粒细化，晶粒越细，晶界越多，磁化 阻力越大，晶界也是一种缺陷。 杂质会造成点阵畸变增加磁化阻力
3、合金成分与组织的影响
4、组织磁性
1、温度的影响
温度升高使原子热运动加剧，原子磁矩的无序排列倾向增大而导致Ms下降，矫顽 力减小。 温度大于居里点是为铁磁性，小于居里点是则为顺磁性。 温度升高，引起应力松弛，利于磁化，使得初始磁导率增加（图中24）。但温度 太高，B降低，则磁化率降低（图中320）
2、应力形变晶粒及杂质的影响
因交换作用而产生的附加能量成为交换能。
交换能 A 为交换能积分常数，θ为相邻原子的两个电子 自旋磁矩之间的夹角。 系统稳定本着能量最低原则。
当磁性物质内部相邻原子电子的交换能积分常数为正 (A＞0，θ=0)时，相邻原子磁矩将同向平行排列（能量最 低），从而实现自发磁化。这就是铁磁性产生的原因，即充 分条件。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。
3.3.2
反铁磁性和亚铁磁性
反铁磁性
如果交换积分A＜0时，则原于磁矩取反向平行 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α-Mn、Cr等是属于反铁磁 性。还有许多金属氧化物如MnO、Cr2O3、CuO、NiO 等也属于反铁磁性。
3.9 影响金属及其合金铁磁性的因素
外部因素：温度、应力。 内部因素：成分、组织及热处理状态等。 （组织敏感性 参数和组织不敏感性参数） 属于组织不敏感的磁参数有饱和磁化强度Ms、磁致伸缩系 数λs、居里点θc以及磁各向异性常数K等。其中Ms和λs 是铁磁体自发磁化强度的函数。具体地说，它们和原子结 构、合金成分、相结构和组成相的数量有关，而与组成相 的晶粒大小、分布和组织形态无关。θc只与组成相的成 分和结构有关。K只决定于组成相的点阵结构，而与组织 无关。 属于组织敏感的磁参数有矫顽力Hc、磁导率μ、剩余磁化 强度Mr、剩余磁感应Br等。它们都与组成相的晶粒尺寸、 分布情况和组织形态有密切关系。 它们都与组成相的晶粒尺寸、分布情况和组织形态有密切 关系。