磁性材料金属磁性材料

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§2.2 相变、脱溶和失稳分解

一、固态相变
1、定义 当外界条件（温度、压强）作连续变化时，固体物质在确定的条件下， 其化学成分或浓度、结构类型、晶体组织、有序度、体积、形状、物理 特性等一项或多项发生突变。 2、相变的驱动力和阻力 相变的方向 ΔG＜0 Δ G=－VΔ gv＋σ V＋ε V 驱动力： VΔ gv 总的化学自由能 阻力：总界面能σV和总应变能εV 3、金属磁性材料的固态相变 主要通过热处理工艺来控制。对于软磁，常通过高温退火，让材料在室 温附近保持均匀的单相，使界面能和应变能尽量降低，以获得高（μ）和 低（Hc），对于永磁常通过淬火和低温时效处理，让材料具有多相结构， 来提高（Br）和（Hc）。
§2.3 金属磁性材料的织构化
一、织构化的概念
在材料结构一定的情况下，其晶粒或磁畴在一个方向上成规则排
如结晶时，p=3，则f=2-3+1=0 （恒温）
（2）、杠杆定理 合金在结晶过程中，各相的成分及其相对 含量将发生变化。对于相图中的两相区， 可以应用所谓杠杆定律求出这两相的成分 及相对含量。 在A-B二元系中，任选一合金p，它的成分 是Xp（组元B的浓度），组元A的浓度为 （1-Xp），在温度T时处于二相平衡，和 两相中组元B的浓度分别为Xa和Xb，而组 元A的浓度为（）和（），设合金的重量 为1，和的相对量分别为C的C。这样P点 处两相中同一组元含量之和必等于合金P 中相应组元的含，可得两个方程式： CαXa+CβXb=Xp Cα(1-Xa)+Cβ(1-Xb)=1-Xp

应用：电力工业、通讯技术、自动控制、微波技术、雷达技术及磁 记录方面不可缺少的关键材料。 作用形式：①能量转换；②信息处理。 特点：在外磁场作用下才显示磁性，去掉外磁场后不对外显示磁性。 应用：精密的仪器仪表；电讯、电声器件；工业设备；控制器件； 其它器件。 作用原理



金属永磁材料

§2.1铁磁金属和合金的结构和磁性 一、铁磁金属的结构和磁性
（一）铁、镍、钴的晶体结构和磁性

Fe、Ni、Co的晶体结构代表金属磁性材料三种典型的、最简单的晶体结构
Fe：
⑴ 常压下，温度＜910℃ 为体心立方（bcc）， 铁磁性的α－Fe， 居里温度为770 ℃ ， 易磁化方向为<100>, 难磁化方向为<111> ⑵910 ℃ ＜温度＜1400℃ 面心立方, 顺磁性的γ－Fe ⑶温度＜1400℃ 体心立方 顺磁性的δ－Fe
（三）、合金的磁性

3d过渡族合金的结构和磁性
稀土族合金的结构和磁性 固溶体的结构和磁性


1、3d过渡族合金的结构和磁性

多为无序固溶体，且多显示铁磁性；
合金的自发磁化与平均外层电子数（3d+4s）成函 数关系（斯莱特-泡林曲线）（图示）
2.稀土族合金的结构和磁性

多为固溶体和金属间化合物。目前开发的稀土永磁 材料都是以金属间化合物为基的材料。
形成间隙固溶体时，产生的应力比置换固溶体的大，对二次磁特性影 响很大。 有序化对磁性的影响很大，一方面是有序和无序固溶体原子环境不同， 其交换相互作用不同，使基本磁特性变化；另一方面，在有序核形成 初期，晶格畸变，而有序化后，有、无序共存都会产生应力，使二次 磁特性也改变。 本征磁特性；二次磁特性


3d过渡族元素的磁性来源
Fe、Ni、Co ：
3d电子的交换相互作用，铁磁性 （2.2μB,0.6μB,1.7μB)
Cr、Mn：
3d电子的直接交换相互作用，反铁磁性
Cr、Mn的合金或化合物：
3d电子的超交换相互作用，亚铁磁性或铁磁性
㈡、稀土族元素的结构和磁性 ⑴ 结构 主要指原子序数为57（La）至71（Lu）的15个元素， 加 上性质类似的Y和Sc； 晶体结构大都为密排六方结构。 ⑵ 磁性 Gd从0K到居里温度239K只表现出纯粹的铁磁性，但磁 矩的取向随温度而变。 Gd以前的轻稀土Ce、Nd、Sm具有反铁磁性。 重稀土金属Tb、Dy、Ho、Er、Tm表现为铁磁性或亚 铁 磁性。 Y、Sc、La、Yb、Lu为非磁性稀土元素，但Y、Sc、 Yb 的离子具有磁矩。
T T1 α a
α＋ β
β p b
A Xa Xp Xb
B
c
x p xa xb xa

ap ab
C ap C pb
3 二元合金常见相图的类型和特征
相图 类型 匀 晶 型 转变 相图型式 名称 匀晶 L L+α 转变
α
转变式
L→α
说明 一个液相 L 在一定温度范 围内转变为同一成分的固 相α 一个固相在一温度范围内 转变为成分相同的另一固 相α 恒温下由一个液相 L 同时 转变成两个成分不同的固 相α 和β 恒温下由一个固相 γ 同时 转变成两个成分不同的固 相α 和β 恒温下由一个液相 L 和一 个固相 β 作用生成一个新 的固相α 恒温下两个固相 β 及 γ 作 用生成另一个固相α

Ni:

在常压下，在熔点以温
范围内，均是面心立结


构（fcc）为铁磁性的
γ-Ni居里点为358℃


易磁化方向为<111>
难磁化方向为<100>


Co：
[0001] [1120] [1010]
⑴ 温度＜450 ℃
简单六方结构
铁磁性的ε- Co 居里点为1117℃ 易磁化方向为<0001> 难磁化方向为<2110>和 1010> ⑵ 温度＞450 ℃至熔点 面心立方γ - Co
3、脱溶过程 α GP区 θ “ θ‘ θ α：母相 GP区：溶质原子偏聚区 θ‘ 、θ“：过渡相 θ：新相 平衡相：应变能最小，界面能最高； 过渡相；应变能居中而偏高，界面能居中而偏低 GP区：界面能和应变能较小 4、脱熔对磁性合金的影响 ⑴、金属软磁合金 使杂质从合金中脱熔；控制杂质的分布状态。可以有效 地改善合金的软磁特性。 ⑵ 金属永磁合金 脱溶对金属永磁特性的提高有重要作用，特别是析出硬化磁钢

晶体结构多为复杂的四方结构和六方结构。
轻稀土化合物中3d-4f电子磁矩是属铁磁耦合，而 重稀土化合物中3d-4f电子磁矩是亚铁磁性耦合。
3 固溶体的结构和磁性
磁性合金，大部分为无序固溶体、有限固溶体和间隙固溶体；少数有 序固溶体；相当多的金属间化合物。

形成 置换固溶体时，磁性组元间存在同种原子对和异种原子对两种不 同的交换作用，和非磁性组元间不存在交换作用，致使固溶体中交换 相互作用的综合结果改变，材料基本磁特性就改变。另一方面，由于 溶质、溶剂原子尺寸的差别，引起晶格畸变，存在应力，使材料的二 次磁特性改变，特别对软磁不利。


什么是金属磁性材料？ 由金属、合金、及金属间化合物所组成的磁性材料。一般分为：金 属软磁材料和金属永磁材料。 分类 原子内部结构 晶态合金 非晶态合金 磁性能特点 软磁合金 硬磁合金 矩磁合金 压磁合金（磁致伸缩材料）

金属软磁材料（HC＜800 A/M)
二元系：温度、压力、成分的立体图。由于一般情况下，压力常为 恒定，相图简化为温度、成分的直角坐标平面图。
三元系：（压力恒定）是一个立体图，底面呈正三角形（成分三角 形），三条底边上-的含量百分数。垂直于底面的纵轴表示温度。 （加图示）三角形内任何一点代表一定成分的三元合金。

2、相律和杠杆定理
⑴、相律 是指在平衡条件下，合金系统的组元数、相数和自由度数之间的 关系式。可以用下式表示：
共 晶 型
百度文库
同素 异晶 转变 共晶 转变 共析 转变 包晶 转变 包析 转变
γ
α α
L L+γ α+γ
γ→α
L
β
L →α+β
γ α
β
γ → α+β
包 晶 型
L
β
α
L+β → α
γ
α
β
γ+β → α
（二）、合金的组成
1、基本概念



合金：由一种金属元素与其它金属元素或非金属元素组成的具有 金属特性的物质。 组元：组成合金最基本的、独立的单元。可以是金属元素，也可 以是化合物。 相：合金中具有相同的化学成分和结构并有界面隔开的独立均匀 部分。 组织：材料内部的微观形貌图象。
二、过饱和固溶体的脱溶
1、定义：过饱和固溶体析出第二相，而其母相仍然保留，但浓度由过饱和达到饱 和的相变。 条件 ：固溶度随温度、成份、压强变化。 2、分类 连续脱溶 不连续脱溶 3、脱溶过程 α GP区 θ “ θ‘ θ α：母相 GP区：溶质原子偏聚区 θ‘ 、θ“：过渡相 θ：新相 平衡相：应变能最小，界面能最高； 过渡相；应变能居中而偏高，界面能居中而偏低 GP区：界面能和应变能较小 4、脱熔对磁性合金的影响 ⑴、金属软磁合金 使杂质从合金中脱熔；控制杂质的分布状态。可以有效地改善合金的软磁特性。 ⑵ 金属永磁合金 脱溶对金属永磁特性的提高有重要作用，特别是析出硬化磁钢。
按溶质原子的占位
按溶剂、溶质原子间相对分布
⑵金属间化合物 合金中各组元 的化学性质和原子半径彼此相差很大， 或者固溶体中溶质的浓度超过了溶解度极限，就不可 能形成固溶体，这时，金属与金属、或金属与非金属 之间常按一定比例和一定顺序，共同组成一个新的、 不同于其任一组元的典型结构的化合物。这些化合物 统称为金属间化合物。 稀土元素和过渡元素可以形成许多金属间化合物，其 中许多是强磁性化合物，著名的高性能永磁合金 SmCo5和Sm2Co17就是典型的例子。 金属 间化合物可以大约写出其分子式，但不一定满足 正常化合价平衡的规律。
2、合金的基本相
据结构的基本特点可分为
｛
固溶体 金属间化合物

⑴固溶体


定义：固溶体是溶质组元溶于溶剂点阵中而组成的单一均匀 固体。溶质只能以原子状态溶解，在结构上必须保持溶剂组 元的点阵类型。 分类 据溶剂类型 一次固溶体
二次固溶体
有限固溶体
按固溶度
无限固溶体
置换固溶体 间隙固溶体 无序固溶体 有序固溶体
f=c-p+n
f：自由度数 p：平衡时相数
应用：

f=c-p+1（常压）
c：组元数 n：外界条件可变的数目
分析系统中最多能有多少相可以平衡共存 分析结晶是在恒温还是在一定温度范围内进行 二元系合金，如结晶时，p=2，则f=2-2+1=1（变温）
例如：二元系合金，C=2，令f=0，则p=3（三个平衡相）
利用永磁合金在给定的空间产生一定的磁场强度； 利用永磁合金的磁滞特性产生转动矩，使电能转化为机械能。

特点

充磁后，去掉外磁场后仍可保留磁性。
第二章金属磁性材的理论基础

铁磁金属和合金的结构和磁性


相变、脱溶和失稳分解
金属软磁材料的理论基础


金属磁性材料的损耗
金属永磁材料的理论基础

金属磁性材料的织构化
二、合金的组成和磁性
㈠、相图的作用
1、什么是相图？ 金属或合金所处的状态主要依赖于其成分和外界条件（温度、 压力）的变化。相图就是用图解的形式来表示金属或合金的组织随
成分、温度、压力等变化的关系。
注意：相图又称为相平衡图，反映的是合金在平衡条件下转变的规律。
2、相图的构成

单元系：成分不变，由压力-温度直角坐标平面图表示
金属磁性材料

概述
磁学基础知识
金属磁性材料的理论基础
金属软磁材料
金属永磁材料
非晶磁性合金
第一章概述

材料主要分为金属材料、陶瓷材料和高分子材 料。金属磁性材料为金属功能材的一种，由金 属、合金以及金属间化合物所组成。历史悠久、 种类多、应用广。特别是近年来，有重大突破， 发展很快。例如：稀土永磁材料；双相纳米晶 软磁材料；非晶软磁薄带；超细微粉（纳米 级）。
三、失稳分解
过饱和固溶体的脱溶大部分为不连续的局部脱溶，形成非均匀的混合固 溶体。但是当合金的成分、系统温度、压强、时效时间等条件综合变化 到适当的状态范围，也可以发生全域性均匀的普遍脱熔，也就是发生匀 相转变。其中失稳分解就是这种匀相转变中的很重要的一类。 2 f 1、概念 0 2 c 当均匀固溶体中自由能与成份的关系满足 时，此固溶体就会失 去稳定，而出现幅度越来越大的成分涨落，并最终分解为两相。 2、特点 匀相转变，全域性的均匀、连续分解，系统中各处几乎是同时发生，并 非形核成长过程。 浓度波幅度越来越大的涨落是依靠逆扩散来进行的。 产生的两相和母相的晶格类型是相同 的，仅晶格常数稍有偏差。 3、对金属永磁材料的影响 分解时，控制磁性相成单畴，或造成对畴壁的钉扎。可使材料获得极高 的矫顽力，具有优异的永磁特性。