磁學性能鐵磁性及其物理本質

關于磁學性能鐵磁性及其物理本質第1頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五3.3.1鐵磁質的自發(fā)磁化

物質具有鐵磁性的基本條件：(1)物質中的原子有未填滿的電子殼層，是必要條件(2)自旋磁矩必須自發(fā)排列在同一方向上，即自發(fā)磁化是產(chǎn)生鐵磁性的充分條件。

“分子場”來源于電子間的靜電相互作用。

實驗證明鐵磁質自發(fā)磁化的起因是源于原子未被抵消的電子自旋磁矩，而軌道磁矩對鐵磁性幾乎無貢獻。第2頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五

根據(jù)鍵合理論可知，原子相互接近形成分子時，電子云要相互重疊，電子要相互交換位置。

對于過渡族金屬，原子的3d的狀態(tài)與4s態(tài)能量相差不大，因此它們的電子云也將重疊，引起s、d狀態(tài)電子的再分配。即發(fā)生了交換作用。交換作用產(chǎn)生的靜電作用力稱為交換力。交換力的作用迫使相鄰原子的自旋磁矩產(chǎn)生有序排列。其作用就像強磁場一樣，外斯“分子場”即來源于此。

因交換作用而產(chǎn)生的附加能量成為交換能。第3頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五

當磁性物質內部相鄰原子電子的交換能積分常數(shù)為正(A＞0，θ=0)時，相鄰原子磁矩將同向平行排列（能量最低），從而實現(xiàn)自發(fā)磁化。這就是鐵磁性產(chǎn)生的原因，即充分條件。這種相鄰原子的電子交換效應，其本質仍是靜電力迫使電子自旋磁矩平行排列，作用的效果好像強磁場一樣。(A﹤0，θ=180°)時，則反向平行排列，呈反鐵磁性。交換能

A為交換能積分常數(shù)，θ為相鄰原子的兩個電子自旋磁矩之間的夾角。

系統(tǒng)穩(wěn)定本著能量最低原則。交換能積分常數(shù)A不僅與電子運動狀態(tài)的波函數(shù)有關，還強烈依賴于原子核間的距離和未填滿殼層半徑有關。第4頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五當Rab／r

﹥3，A﹥0

，滿足自發(fā)磁化的條件，為鐵磁性當Rab／r太大，原子之間的距離太大，電子云不重疊或重疊太少，不能滿足自發(fā)磁化的條件，為順磁性。當Rab／r﹤

3，A﹤0，則反向排列，為反鐵磁性鐵磁性產(chǎn)生的充要條件：原子內要有為填滿的電子殼層，滿足Rab／r﹥3使A﹥0。前者指的是原子本征（固有）磁矩不為零；后者指的是要有一定的晶體結構。

Rab-原子間距

r-未填滿的電子層半徑第5頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五

鐵磁性產(chǎn)生的條件：①原子內部要有末填滿的電子殼層；②及Rab／r之比大于3使交換積分A為正。前者指的是原子本征磁矩不為零；后者指的是要有一定的晶體結構。

鐵磁質受熱原子間距離增大，電子間交換作用減弱，自發(fā)磁化減弱，當高于一定溫度時交換作用被破壞，表現(xiàn)為順磁性，這個轉變溫度被稱為居里溫度。第6頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五第7頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五3.3.2反鐵磁性和亞鐵磁性

如果交換積分A＜0時，則原于磁矩取反向平行排列能量最低。如果相鄰原子磁矩相等，由于原子磁矩反平行排列，原子磁矩相互抵消，自發(fā)磁化強度等于零。這樣一種特性稱為反鐵磁性。

研究發(fā)現(xiàn)，純金屬α-Mn、Cr等是屬于反鐵磁性。還有許多金屬氧化物如MnO、Cr2O3、CuO、NiO等也屬于反鐵磁性。反鐵磁性

第8頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五

亞鐵磁性物質由磁矩大小不同的兩種離子(或原子)組成，相同磁性的離子磁矩同向平行排列，而不同磁性的離子磁矩是反向平行排列。由于兩種離子的磁矩不相等，反向平行的磁矩就不能恰好抵消，二者之差表現(xiàn)為宏觀磁矩。

具有亞鐵磁性的物質絕大部分是金屬的氧化物，是非金屬磁性材料，一般稱為鐵氧體。磁性離子間并不存在直接的交換作用，而是通過夾在中間的氧離子形成間接的交換作用，稱為超交換作用。

亞鐵磁性

交換積分A＜0，則原于磁矩取反向平行排列能量最低。如果相鄰原子磁矩不等，原子磁矩不能相互抵消，存在自發(fā)磁化。這樣一種特性稱為亞鐵磁性。第9頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五鐵磁性

反鐵磁性

亞鐵磁性

反鐵磁性和亞鐵磁性的物質可以看作由兩套亞點陣組成，每個亞點陣中的離子磁矩同向平行排列，不同亞點陣反向平行。

第10頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五3.4磁晶各向異性和各向異性能

對于鐵磁單晶的研究發(fā)現(xiàn)，沿不同晶向的磁化曲線不同。這種在單晶體的不同晶向上磁性能不同的性質，稱為磁性的各向異性。磁各向異性[100][110][111]第11頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五第12頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五

相鄰原子間電子軌道還有交換作用，由于自旋-軌道相互作用，電荷的分布為旋轉橢球性，非對稱性與自旋方向密切相關，所以自旋方向相對于晶軸的轉動將使交換能改變，同時也使原子電荷分布的靜電相互作用能改變，導致磁各向異性。第13頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五3.5磁致伸縮與磁彈性能

鐵磁性物質的尺寸和形狀在磁化過程中發(fā)生形變的現(xiàn)象，叫磁致伸縮。產(chǎn)生原因：

原子磁矩有序排列時，電子間的相互作用導致原子間距的的自發(fā)調整。

當磁致伸縮引起的形變受到限制，在材料內部將產(chǎn)生應力，因而存在一種彈性能，稱為磁彈性能。第14頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五第15頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五

鐵磁體在磁場中具有的能量稱為靜磁能，它包括鐵磁體與外磁磁場的相互作用能和鐵磁體在自身退磁場中的能量，后者常稱為退磁能。鐵磁體的形狀各向異性是由退磁場引起的，當鐵磁體磁化出現(xiàn)磁極后，這時在鐵磁體內部由磁極作用而產(chǎn)生一個與外磁化場反向的磁場，因它起到退磁（減弱外磁場）的作用，故稱為退磁場，用Hd表示。

Hd=-NMN為退磁因子，與材料的幾何形狀、尺寸有關；M磁化強度。3.6鐵磁體的形狀各向異性及退磁能第16頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五退磁場作用在鐵磁體上的退磁能為：第17頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五3.7磁疇的形成與磁疇結構

因物質由許多小磁疇組成的。在未受到磁場作用時，磁疇方向是無規(guī)則的，因而在整體上無外加磁場時不顯示磁性形成原因：由于原子磁矩間的相互作用，晶體中相鄰原子的磁偶極子會在一個較小的區(qū)域內排成一致的方向。磁疇

未加磁場時鐵磁體內部已經(jīng)磁化到飽和狀態(tài)的小區(qū)域。3.7.1

磁疇與磁疇壁

第18頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五磁疇壁：相鄰磁疇的界限區(qū)域稱為磁疇壁，分為兩種：磁疇的結構主疇：大而長的磁疇，其自發(fā)磁化方向沿晶體的易磁化方向。相鄰主疇磁化方向相反。副疇：小而短的磁疇，其磁化方向不定。（1）180o壁。相鄰磁疇的磁化方向相反。（2）90o壁。相鄰磁疇的磁化方向垂直。第19頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五第20頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五磁疇壁具有交換能ECX、磁晶能EK及磁彈性能。磁交換能：逐漸轉向比突然轉向要容易進行，因此交換能小，疇壁越厚交換能越小。磁晶能：疇壁越厚，原子磁矩的逐漸轉向，使原子磁矩偏離了易磁化的方向，磁晶能增加。磁彈性能：原子的逐漸轉向，各個方向上的伸縮難易不同，因此產(chǎn)生彈性能。疇壁內的能量比磁疇內要高磁疇壁的厚度本著能量最小原則。交換能使疇壁厚度大，磁晶能使疇壁厚度減小。兩種能量竟爭使疇壁具有一定的厚度。第21頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五磁疇的形狀、尺寸、疇壁的類型與厚度總稱為磁疇結構。形成磁疇是為了降低系統(tǒng)的能量（主要是降低退磁能和磁彈性能）。因磁疇結構受交換能、磁晶能、磁彈性能、疇壁能和退磁能的影響，平衡狀態(tài)時的磁疇結構，應使這些能量之和為最小值。3.7.2磁疇的起因與結構第22頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五簡述磁疇的形成過程答：磁疇的形成符合能量最小條件，使系統(tǒng)能量降低到最低，以維持系統(tǒng)的能量平衡。磁疇的形成過程如下：（1）假設在磁晶體中存在一個自發(fā)的磁化區(qū)，磁化區(qū)的兩極則會產(chǎn)生以較高的退磁場。如圖a所示（2）如果將上述磁化區(qū)分割成兩個區(qū)域，則退磁場將會降低，如繼續(xù)分割，則會一直減小，有減小到零的趨勢。如圖b所示（3）如果形成封閉的結構，則退磁場減小為零，沒有自由磁極。閉合磁疇的形成使磁致伸縮不同而產(chǎn)生彈性能和磁晶能。如圖c所示（4）為了降低磁彈性能，磁疇將沿基本磁化方向分割為更小磁疇，但磁疇的分割又增加了疇壁能，當兩者能量平衡時，即形成能量最小的穩(wěn)定的閉合磁疇。如圖d所示單晶體磁疇結構示意圖第23頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五3.8鐵磁金屬的技術磁化過程第24頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五技術磁化過程實質使外加磁場對磁疇的作用過程，即外磁場把各個磁疇的磁矩轉到與外加磁場方向相同的過程，技術磁化過程如下：（1）當外加磁場較弱時，自發(fā)磁化方向與外加磁場方向成銳角的磁疇則易磁化而擴張，成鈍角的磁疇則縮小。疇壁發(fā)生遷移，此階段由于外加磁場較弱而可逆，磁化曲線較為平坦，因此稱為可逆遷移區(qū)Ⅰ（2）隨外加磁場增加，某些與磁場成鈍角的磁疇將發(fā)生瞬時的轉向，轉向與磁場成銳角易磁化的方向，大量原子瞬時的轉向，表現(xiàn)出強烈的磁化，此階段因外加磁場較強而不可逆，稱為不可逆遷移區(qū)Ⅱ，這種遷移將使所有原子磁矩都轉向外加磁場成銳角易磁化方向，而使晶體成為單疇。（3）當外加磁場繼續(xù)增加時，則整個單疇晶體的磁矩方向將逐漸轉向外加磁場方向。該過程稱為磁疇的旋轉，即磁疇旋轉區(qū)Ⅲ。當晶體的單疇磁化強度矢量與外加磁場方向完全一致時，即達飽和狀態(tài)，完成整個磁化過程。磁化曲線分區(qū)示意圖第25頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五3.9影響金屬及其合金鐵磁性的因素外部因素：溫度、應力。內部因素：成分、組織及熱處理狀態(tài)等。

（組織敏感性參數(shù)和組織不敏感性參數(shù)）屬于組織不敏感的磁參數(shù)有飽和磁化強度Ms、磁致伸縮系數(shù)λs、居里點θc以及磁各向異性常數(shù)K等。其中Ms和λs是鐵磁體自發(fā)磁化強度的函數(shù)。具體地說，它們和原子結構、合金成分、相結構和組成相的數(shù)量有關，而與組成相的晶粒大小、分布和組織形態(tài)無關。θc只與組成相的成分和結構有關。K只決定于組成相的點陣結構，而與組織無關。屬于組織敏感的磁參數(shù)有矯頑力Hc、磁導率μ、剩余磁化強度Mr、剩余磁感應Br等。它們都與組成相的晶粒尺寸、分布情況和組織形態(tài)有密切關系。它們都與組成相的晶粒尺寸、分布情況和組織形態(tài)有密切關系。第26頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五1、溫度的影響溫度升高使原子熱運動加劇，原子磁矩的無序排列傾向增大而導致Ms下降，矯頑力減小。溫度大于居里點是為鐵磁性，小于居里點是則為順磁性。溫度升高，引起應力松弛，利于磁化，使得初始磁導率增加（圖中24）。但溫度太高，B降低，則磁化率降低（圖中320）第27頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五2、應力形變晶粒及雜質的影響應力與磁致伸縮一致時，對磁化起促進作用，相反則起阻礙作用。形變造成點陣畸變及扭曲，晶粒破碎，內應力增加而造成技術磁化困難。結晶和退火則相反晶粒細化，晶粒越細，晶界越多，磁化阻力越大，晶界也是一種缺陷。雜質會造成點陣畸變增加磁化阻力第28頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五3、合金成分與組織的影響第29頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五第30頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五第31頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五4、組織磁性第32頁，共36頁，2022年，5月20日，14點13分，星期五3.15材料磁性分析的應用一、測定鋼中的殘余奧氏體量1、低碳鋼和低合金鋼

馬氏體是強鐵磁性。淬火態(tài)試樣的飽和磁化強度（Ms)s與馬氏體的數(shù)量成正比。Фm=（Ms)s/(Ms)m（