材料物理化學性能四五六章

材料物理化學性能四五六章1第1頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月了解材料的磁性，對于研究材料結(jié)構(gòu)及相變是非常重要的。磁性材料被廣泛使用于計算機、航空航天、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等技術(shù)領(lǐng)域，是重要的功能材料。第四章磁性分析2023/8/212第2頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

材料磁性的本質(zhì):是材料內(nèi)部電子的循軌和自旋運動產(chǎn)生的．

物理學：任一封閉電流都有磁矩，其方向與環(huán)形電流法線方向一致，大小=I×S。

材料內(nèi)部電子的循軌和自旋運動都可看作是一個閉合的環(huán)形電流，因而必然會產(chǎn)生磁矩．

第四章磁性分析4.1磁性及其物理本質(zhì)一、材料的磁性2023/8/213第3頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月電子自旋運動產(chǎn)生的磁矩稱為自旋磁矩.

eg：Fe原子中共26個電子，電子層分布為1s22s22p63s23p63d64s2

除3d次電子層外，各層均被電子填滿，自旋磁矩被抵消。

當原子中有未被排滿的電子層時，原子所具有的磁矩為原子的固有磁矩。（由于未被排滿的電子層電子磁矩之和不為零）

根據(jù)洪特法則：電子在3d層中應盡可能填充到不同軌道，并且它們的自旋盡量在同方向上(平行自旋)．見填充示意圖。

因此Fe原子的固有磁矩是4個電子磁矩的總和。

電子循軌運動產(chǎn)生的磁矩稱為軌道磁矩。2023/8/214第4頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月每一個外層有s、p、d、f四個亞層，四個亞層分別有1、3、5、7個軌道。鐵原子外層電子排布

↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↑↑↑↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓3s23p63d61s2

2s22p64s2↑↓2023/8/215第5頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

鐵使磁場強烈地增強；銅使磁場減弱；鋁雖使磁場增強，但很微弱．

物質(zhì)在磁場中由于受磁場的作用都呈現(xiàn)出一定的磁性，這種現(xiàn)象稱為磁化。

凡是能被磁場磁化的物質(zhì)稱為磁介質(zhì)。

當磁介質(zhì)在外加磁場H中被磁化時，會產(chǎn)生附加磁場H’，這時，其所處的總磁場強度為通常，無外加磁場，宏觀上材料不呈現(xiàn)出磁性；當材料被磁化后，會表現(xiàn)出一定的磁性．

物體的磁化未改變原子固有磁矩的大小，而是改變了它們的取向。二.材料的磁化2023/8/216第6頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月單位體積的磁矩稱為磁化強度，用表示。

磁化強度與外加磁場強度有關(guān)，還與物質(zhì)本身的磁化特性有關(guān)，即

—磁化率，其值可正、可負。H’=(4-5)

通過磁場中某點，垂直于磁場方向單位面積的磁力線數(shù)稱為磁感應強度，用表示，其單位為T(特斯拉)，它與磁場強度的關(guān)系是或

—真空磁導率

(4-6)(4-7)2023/8/217第7頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月將式(4-5)代入式(4-6)可得

式中：為相對磁導率；為磁導率或?qū)Т畔禂?shù)，單位與相同，它反應了磁感應強度B隨外磁場H變化的速率。(4-8)

2023/8/218第8頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月材料被磁化后：使磁場減弱的物質(zhì)稱為抗磁性材料；使磁場略有增強的為順磁性材料；使磁場強烈增加的為鐵磁性材料。一.材料抗磁性與順磁性的物理本質(zhì)材料被磁化后，磁化矢量與外加磁場方向相反的稱為抗磁性，＜0；材料被磁化后，磁化矢量與外加磁場方向相同的稱為順磁性，＞0．4.2抗磁性與順磁性2023/8/219第9頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月把測量的磁感應強度B或磁化強度M與外加磁場強度H的關(guān)系曲線稱為磁化曲線．抗磁與順磁性材料的磁化曲線如圖4-1所示。圖4-1抗磁與順磁物質(zhì)的磁化曲線磁化強度與磁場強度之間均呈直線關(guān)系;磁化率常數(shù)很小，但磁化方向相反;當去除外磁場之后，仍恢復到未磁化前的狀態(tài)，即存在磁化可逆性。4.2抗磁性與順磁性2023/8/2110第10頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的抗磁性來源于電子循軌運動時受外加磁場作用產(chǎn)生的抗磁矩．證明過程：取循軌運動方向相反的兩個電子，如圖4-2

圖4-2形成抗磁磁矩?m的示意圖電子循軌運動產(chǎn)生的軌道磁矩大小為(4-9)

—電子電荷

—電子循軌運動的角速度

—軌道半徑1．抗磁性2023/8/2111第11頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月電子循軌運動時受到向心力。當電子受到垂直于運動軌道平面的磁場作用時，會產(chǎn)生，稱為洛倫茲力，它等于。當電子順時針運動時，見圖(a)，與的方向相同，這時增大了向心力．由可知，若m和r不變，F(xiàn)c的增大將導致增大．由式(4-9)知，m必將相應增大?m．同理可證明，圖(b)中相反方向運動的電子也會增加?m。2023/8/2112第12頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月洛侖茲力的方向：左手定則

伸開左手，使大拇指跟其余四指垂直，且處于同一平面內(nèi)，把手放入磁場中，讓磁感線垂直穿入掌心，四指指向正電荷運動的方向（或負電荷運動的反方向），那么，拇指所指的方向就是運動電荷所受洛侖茲力的方向。2023/8/2113第13頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月材料的順磁性主要來源于原子(離子)的固有磁矩．

材料的順磁磁化過程：無外加磁場時，原子的固有磁矩呈無序狀態(tài)分布，宏觀上不呈現(xiàn)出磁性，見圖(a)圖4-3順磁磁化過程示意圖(a)無磁場(b)弱磁場(c)強磁場當施加外磁場時，為了降低磁矩的靜磁能，磁矩將改變與磁場間的夾角，便產(chǎn)生了磁化，見圖(b)(c)。靜磁能是指原子磁矩與外加磁場的相互作用能。隨著磁場的↑，磁矩與磁場的夾角↓，磁化不斷↑。2．順磁性2023/8/2114第14頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月1.原子結(jié)構(gòu)的影響①絕大多數(shù)非金屬都是抗磁性物質(zhì)，只有氧和石墨是順磁性物質(zhì)②金屬Cu、Ag、Au、Cd、Hg等是抗磁性的③所有的堿金屬、堿土金屬（除Be外）都是順磁性的2.溫度的影響①溫度對抗磁性一般沒有什么影響，但會使抗磁磁化率發(fā)生變化②溫度對順磁性影響很大一部分物質(zhì)x=C/T，另一部分物質(zhì)x=C′/（T+△）。二.影響材料抗磁性與順磁性的因素2023/8/2115第15頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月3.相變及組織轉(zhuǎn)變的影響①例如：正方晶格的白錫轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸Y(jié)構(gòu)的灰錫時，x明顯變化②加工硬化使金屬原子間距↑而密度↓，例如：當高度加工硬化時，Cu由抗磁變?yōu)轫槾?，退火使銅的抗磁性恢復。4.合金成分與組織的影響

見圖二.影響材料抗磁性與順磁性的因素2023/8/2116第16頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月磁化率隨合金成分變化規(guī)律2023/8/2117第17頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月(1)確定合金相圖中的最大溶解度曲線

單相固溶體的順磁性比兩相混合組織的順磁性高;混合物的順磁性與合金成分之間呈直線關(guān)系.三.抗磁與順磁分析的應用磁化率變化合金的成分組織結(jié)構(gòu)變化合金成分與順磁性的關(guān)系：2023/8/2118第18頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月三.抗磁與順磁分析的應用

eg:確定Al-Cu合金的溶解度曲線時，可取不同成分的合金，加熱到不同T淬火后，測量其磁化率，作出和成分的關(guān)系曲線，圖4-4示．20℃曲線表示退火態(tài)；下面幾條曲線分別表示300、400、450與500℃淬火后的變化曲線．在不同T淬火后的曲線可分為兩個部分，在b、c、d、e與f處曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折．2023/8/2119第19頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月以450℃曲線為例：ae段對應的成分，淬火后得到了過飽和固溶體。

在得到固溶體時，溶質(zhì)濃度越高，↓越多，且↓較快。e點后的合金在相同T淬火加熱時，組織為銅鋁固溶體與CuAl2的兩相混合物，所以e點的成分即為450℃加熱時，Cu在Al中的最大溶解度．Cu只有一部分溶入Al中，還有一部分以CuAl2的形式存在這時雖然合金的磁化率仍隨著含銅量的↑而↓，但顯然↓得較慢，而且呈直線↓2023/8/2120第20頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-4Al-Cu合金的磁化系數(shù)與成分和淬火溫度的關(guān)系

同理：b、c、d、e與f各點對應的成分都是相應T下的最大溶解度．將這些點換成T與成分的關(guān)系曲線,可得Al-Cu合金的最大溶解度曲線．2023/8/2121第21頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

圖4-5Al-Cu合金淬火和退火狀態(tài)的磁化率與T的關(guān)系(2)研究鋁合金的分解順磁性合金：合金分解磁化曲線改變

為了研究淬火Al合金的分解情況，需要測出與加熱T的關(guān)系曲線．取含Cu5％的Al合金分別進行退火與淬火，然后加熱到不同T測量其，測量結(jié)果如圖示．Eg:分析鋁銅合金的分解2023/8/2122第22頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月隨著T↑，淬火試樣的不斷↑；退火試樣組織不變，只是受到T影響，使單調(diào)↓．

分析：Al合金的順磁淬火后比退火后顯著↓，說明淬火使Al與Cu形成了過飽和固溶體。Cu的抗磁作用對Al的順磁影響較大，使合金的順磁顯著↓。退火態(tài)的合金中，有94﹪的Cu以CuAl2相存在，因此Cu對Al的順磁性影響較小，故比淬火態(tài)的高。由于從過飽和固溶體中析出了富銅相2023/8/2123第23頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月1與2曲線比較得：合金的磁化率總比純鋁的低。當T達到500℃后，淬火與退火試樣的曲線重合，表示過飽和固溶體分解完成，得到穩(wěn)定的平衡組織。

測定磁化率還可以用于研究材料有序無序轉(zhuǎn)變、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變與確定再結(jié)晶溫度等。是抗磁金屬銅的作用造成的2023/8/2124第24頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

鐵磁性材料都是金屬，它們的鐵磁性來源子原子未被抵消的自旋磁矩和自發(fā)磁化．4.3金屬及合金的鐵磁性、鐵磁性的測量及應用

鐵磁性材料在外加H的作用下，可產(chǎn)生很強的磁化，其磁化矢量與外加H的方向一致。一、鐵磁材料的原子組態(tài)和原子磁矩2023/8/2125第25頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

過渡族金屬的3d層都未被電子填滿，這些金屬原子都有剩余的自旋磁矩．在3d過渡族金屬中，鐵、鈷、鎳是鐵磁性材料，下表列出了它們原子的3d層電子填充情況。表4-1鐵、鈷、鎳原子的外層電子填充規(guī)律一、鐵磁材料的原子組態(tài)和原子磁矩2023/8/2126第26頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬具有鐵磁性

錳、鉻等元素也有剩余的自旋磁矩，但不是鐵磁性金屬．原子有未被抵消的自旋磁矩產(chǎn)生自發(fā)磁化。

自旋磁矩自發(fā)地同相排列一、鐵磁材料的原子組態(tài)和原子磁矩2023/8/2127第27頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月沒有外磁場時，材料發(fā)生的磁化稱為自發(fā)磁化.

金屬內(nèi)部的自發(fā)磁化是由于電子間的相互作用產(chǎn)生的．兩個原子接近時，它們的3d和4s層的電子可相互交換位置，使相鄰原子自旋磁矩產(chǎn)生有序排列．因交換作用產(chǎn)生的能量稱為交換能．用Eex表示。二、自發(fā)磁化2023/8/2128第28頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月A—交換能積分常數(shù)；S1

、S2—分別是兩個電子的自旋動量矩矢量；Φ—兩個自旋動量矩夾角，S—

S1與S2的模，因S1與S2是同類電子，所以它們的模相等。(4-12)二、自發(fā)磁化2023/8/2129第29頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)量子力學推導和計算，得出了一條交換積分常數(shù)與a／r的關(guān)系曲線，見圖4-6．圖中：a—原子間距,r—未填滿殼層的原子半徑．從曲線中可以看出：當a／r＞3時，A＞o；

而當a／r＜3時，A＜0。圖4-6交換能常數(shù)A與a／r之間的關(guān)系二、自發(fā)磁化2023/8/2130第30頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月A＜0時，當Φ＝π、cosΦ＝-1時，Eex為最低值，即自旋磁矩反向排列時能量最低．A＞0時，當Φ＝0、cosΦ=1時，Eex為最低值，即自旋磁矩同向排列時能量最低，形成自發(fā)磁化．

鐵、鈷、鎳的A為較大的正值，因此有較強的自發(fā)磁化傾向。

某些稀土元素也具有自發(fā)磁化傾向，但其A值很小，相鄰原子間的自旋磁矩同向排列作用很弱，原子振動極易破壞這種同向排列，在常溫下呈現(xiàn)為順磁性。2023/8/2131第31頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

當鐵磁物質(zhì)磁化時，沿不同方向磁化所產(chǎn)生的磁化強度不同。磁化強度沿不同晶軸方向的不同稱為磁晶的各向異性能。

鐵磁物質(zhì)磁化時，沿磁化方向發(fā)生長度的伸長或縮短的現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應．三.磁各向異性與磁致伸縮鐵磁性物質(zhì)磁化時的特征磁致伸縮效應。磁各向異性2023/8/2132第32頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月式中：—鐵磁體的原始長度，

—沿磁化方向長度的改變

＞0，沿磁化方向尺寸伸長，稱為正磁致伸縮，eg：鐵屬這種情況；＜0，沿磁化方向尺寸縮短，eg：鎳屬這種情況．三.磁各向異性與磁致伸縮

此效應可用磁致伸縮系數(shù)表示：

2023/8/2133第33頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

對＞0的材料進行磁化時:

沿磁場方向加拉應力，有利于磁化，加壓應力阻礙其磁化；對＜o的材料，則情況相反．

隨著外磁場H的↑，鐵磁體的磁化強度↑，這時也隨之↑，當磁化強度達到飽和值Ms時，

=，稱為飽和磁致伸縮系數(shù)．

2023/8/2134第34頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

在鐵磁性物質(zhì)中，存在著許多微小自發(fā)磁化區(qū)域，稱為“磁疇”。交換能使鐵磁物質(zhì)中的磁矩同向排列形成磁疇，但同向排列形成了磁極，造成了很大的退磁能，如圖4-7(a)．三.磁疇結(jié)構(gòu)并不是整塊單晶體或每個晶粒形成一個大磁疇

退磁能：由于鐵磁體產(chǎn)生的外磁場與內(nèi)磁場方向相反，從而使鐵磁體的磁性減弱，造成磁化能增加．磁疇的尺寸大小和其形狀結(jié)構(gòu)受著多種能量因素的制約。2023/8/2135第35頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月降低退磁能的方法：將晶體分為兩個反向磁化區(qū)(磁疇)，可使退磁能大大降低，如圖4-7(b)。圖4-7單晶體磁疇結(jié)構(gòu)示意圖三.磁疇結(jié)構(gòu)2023/8/2136第36頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月使退磁能降為0的方法：當形成圖4-7(c)所示的封閉磁疇時，可使退磁能降為零，于是，出現(xiàn)了上下兩個三角形的閉合磁疇．

由于閉合磁疇和基本磁疇的磁化方向不同，引起的磁致伸縮不同，因而產(chǎn)生一定的磁致伸縮能．

磁致伸縮能與磁疇的方向和尺寸有關(guān)，尺寸越大，磁致伸縮所引起的尺寸變化就越不容易相互補償，磁致伸縮能就越高．2023/8/2137第37頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

封閉式磁疇結(jié)構(gòu)需要由較小的磁疇構(gòu)成，磁致伸縮能才能更低，如圖4-7(d)．當一個磁體中存在許多小磁疇時，在兩相反磁疇之間形成一個過渡層，稱為磁疇壁．

疇壁內(nèi)自旋磁矩的方向從一個磁疇逐漸過渡到另一個磁疇，如圖4-8(b)。這種情況交換能較低．相鄰磁疇彼此間不能直接呈反向平行排列，如圖4-8(a)．因為，這樣的排列方式交換能很高．2023/8/2138第38頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-8磁疇壁示意圖

但是，疇壁的自旋磁矩偏離了晶體的易磁化方向，由此導致各向異性能增高．此外還由于磁致伸縮的變化使彈性能升高，所以形成疇壁需要一定的能量．疇壁的總能量與磁疇壁的面積有關(guān)，疇壁面積越大，能量越高．而磁疇越小，磁疇壁面積就越大。2023/8/2139第39頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-8磁疇壁示意圖

當磁疇變小使磁致伸縮能減小的數(shù)量和疇壁形成所需要的能量相等時，即達到了能量最小的穩(wěn)定閉合磁疇組態(tài)。2023/8/2140第40頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-9鐵磁合金的磁化曲線鐵磁金屬的磁化曲線有不可逆磁化存在，曲線可分為3個部分，如圖4-9所示．Ⅰ：在微弱的磁場中，B和M均隨H的↑緩慢地↑；M與H近似呈直線關(guān)系，磁化是可逆的．五、磁化曲線與磁滯回線磁感應強度B磁化強度M外磁場強度H2023/8/2141第41頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月Ⅱ：隨H繼續(xù)↑，B和M急劇↑，磁導率↑快，且出現(xiàn)極大值，此階段磁化是不可逆的，即去掉磁場仍保持部分磁化．Ⅲ：隨H再↑，B和M↑的逐漸變緩，磁化變得困難，磁導率↓，并趨向于。當H達到HS時，M達到飽和值。此時B仍隨H

↑而↑．磁化強度的飽和值為飽和磁化強度，MS．與Ms相對應的磁感應強度為飽和磁感應強度，Bs。B＝M+H2023/8/2142第42頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月磁滯回線如將試樣沿Oab磁化到飽和磁化狀態(tài)后，再逐漸↓H，B將沿bcd曲線隨之↓．圖4-10鐵磁合金的磁滯回線2023/8/2143第43頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月H＝0時，B≠0，而保留一定的數(shù)值，這是鐵磁金屬的剩磁現(xiàn)象．去掉外加磁場后的磁感應強度為剩余磁感應強度，Br。要使B繼續(xù)↓，需加-H，當H=Hc時，B=0．Hc為去掉剩磁的臨界外磁場，稱為矯頑力．將-H繼續(xù)↑，B沿著de曲線變化為-Bs。從-Bs改為正向磁場，隨著H的↑，B沿efgb曲線變化為+BS。2023/8/2144第44頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月由圖知，磁感應強度的變化總是落后于磁場強度的變化，此現(xiàn)象為磁滯效應．由于磁滯效應，磁化一周得到一個閉合回線，為磁滯回線．回線包圍的面積相當于磁化一周產(chǎn)生的能量損耗，為磁滯損耗．2023/8/2145第45頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月Mn、Cr等金屬的A＜0，相鄰原子間的自旋趨于反向平行排列，不能形成自發(fā)磁化區(qū)域，為反鐵磁性物質(zhì)．反鐵磁性物質(zhì)無論在什么T下，其宏觀表現(xiàn)都是順磁性的，磁化系數(shù)如下圖示。圖4-11反鐵磁性物質(zhì)與T的關(guān)系六、反鐵磁性2023/8/2146第46頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-11反鐵磁性物質(zhì)與T的關(guān)系T再↓，又↓，最后趨于定值，取最大值的T稱為奈耳點，以Tn示。Tn表征相鄰原子自旋反向排列被完全破壞的T，超過此T，反鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判浴?/p>

在高溫時很小，隨T↓逐漸↑，降至某T時，升至最大值；2023/8/2147第47頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月隨ε↑，um↓，Hc↑，Br在臨界ε（約5％～7﹪）以前隨ε↑急劇↓，而在臨界ε以上隨ε↑而↑；冷塑性變形不影響Ms1.溫度

T↑鐵磁性的Ms↓，Bs、Br、Hc都↓2.形變和晶粒度

①例如：見下圖冷加工變形對工業(yè)純鐵磁性的影響

七.影響鐵磁性參數(shù)的因素飽和磁化強度Ms飽和磁感應強度Bs剩余磁感應強度Br矯頑力Hc磁導率um形變度ε2023/8/2148第48頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月3.形成固溶體及多相合金①鐵磁性金屬溶入抗磁性元素或弱順磁性元素時，固溶體的Ms隨溶質(zhì)組元含量的↑而↓；鐵磁性金屬溶入強順磁性元素時，如溶質(zhì)組元含量較低時使Ms↑，而含量高時則使Ms↓②在多相合金中，合金Ms是由各組成相的Ms以及它們的相對量所決定：Ms=Ms1·P1+Ms2·P2+…+Msn·Pn式中：Ms1、Ms2…Msn為各組成相的Ms

P1、P2…Pn為各組成相的體積百分數(shù)。②晶粒越細，um越低，Hc越高。七.影響鐵磁性參數(shù)的因素2023/8/2149第49頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月1．磁化曲線和磁滯回線的測量采用環(huán)形試樣沖擊法測定這兩種曲線．圖4-12沖擊法測磁原理圖

在環(huán)形試樣T上繞上線圈W1、W2．W1連接直流電源，W2串聯(lián)沖擊檢流計組成測量回路．八、鐵磁性的測量與應用磁化線圈W1(匝數(shù)N1)，產(chǎn)生磁化磁場；測量線圈W2(匝數(shù)N2)，產(chǎn)生感應電動勢。磁化曲線的測量2023/8/2150第50頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月當W1中通I1時，產(chǎn)生的H為

—試樣的中心周長

短時間內(nèi)，磁場從0↑到定值H時，試樣的磁感應強度從0↑到B，磁通量從0↑到?Φ，將使測量回路中產(chǎn)生感應電動勢：(4-13)測量線圈電阻為R，則測量回路中的感應電流為(4-14)(4-15)2023/8/2151第51頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月通過檢流計的電量Q為(4-16)通過檢流計的電量Q與檢流計上光點最大偏移格數(shù)αm成正比，即Q=Cbαm式中：Cb—沖擊檢流計的沖擊常數(shù)．2023/8/2152第52頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月1820年，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流能在周圍空間產(chǎn)生磁場，一根通有Ⅰ安培（A）直流電的無限長直導線，在距導線軸長r米處產(chǎn)生的磁場強度H為

H=Ⅰ/（2πr）2023/8/2153第53頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月可得∵?Φ=B·S，∴(4-17)

測量時，調(diào)整I1使磁場變化在0~+HS，取不同的H對應的B值作圖，可得材料的磁化曲線。S—樣品截面積

磁滯回線的測量原理與磁化曲線的相同，測量時磁場要從+HS逐次↓，到達-HS后再逐次↑。(4-18)磁滯回線的測量2023/8/2154第54頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月感應式熱磁儀結(jié)構(gòu)如下圖示．

其結(jié)構(gòu)和原理與變壓器類似.二次線圈W2由兩個圈數(shù)相等，繞向相反的線圈串聯(lián)而成．圖4-13感應式熱磁儀示意圖1.穩(wěn)壓器2.等溫爐3.試樣4.毫伏表2．用感應熱磁儀法測量鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線2023/8/2155第55頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

當I輸入W1時，W2中產(chǎn)生E，由于W2中E1=E2，且方向相反，故回路中的E總=0．

這時，將經(jīng)過奧氏體化的試樣從加熱爐移入等溫爐，在A未轉(zhuǎn)變時，二次回路中的E=0，毫伏計指針不偏轉(zhuǎn).2．用感應熱磁儀法測量鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線感應電動勢E奧氏體A2023/8/2156第56頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

當A轉(zhuǎn)變時，其產(chǎn)物P或B為強鐵磁性組織，相當于在線圈中增加了鐵芯，使E1↑，但E2不變．回路中的E總=E1-E2＞0，毫伏計的指針開始偏轉(zhuǎn)，A轉(zhuǎn)變的量越多，毫伏計讀數(shù)越高．

毫伏計的讀數(shù)反映了A轉(zhuǎn)變趨勢，從E的變化曲線可確定A轉(zhuǎn)變的開始及終了時間.珠光體P貝氏體B2023/8/2157第57頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月在不同T做此實驗，可得到不同T下的轉(zhuǎn)變開始和終了時間，將它們連接起來，可得到A過冷等溫轉(zhuǎn)變曲線．其中，使毫伏計指針立即開始偏轉(zhuǎn)的最高T，就是Ms(A→M轉(zhuǎn)變點)點。這種方法簡單方便，但只能作定性的測量.2023/8/2158第58頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月儀器結(jié)構(gòu)及工作原理如下圖示．圖4-14熱磁儀測量部分示意圖1-燈尺2-光源3-彈簧4-反射鏡5-支桿6-磁極7-試樣3．用熱磁儀測定鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線2023/8/2159第59頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月熱磁儀由大電磁鐵在磁極間產(chǎn)生很強的均勻磁場．測試時，試樣固定于支桿的前部，位于兩磁極的中間，支桿的上端和彈簧連接，彈簧固定在儀器架上．支桿上裝有一個反射鏡，光源發(fā)出光束由反射鏡反射到光尺上。3．用熱磁儀測定鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線2023/8/2160第60頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月測試時，將試樣吊在磁場中，與兩磁頭軸線成夾角Φ0(≈10°)，這樣試樣在磁場中受到扭力，力矩為M1(4-20)式中：V—試樣的體積；H—磁場強度；M—磁化強度；Φ0—試樣與磁力線間的夾角．在M1作用下，試樣將向磁場方向轉(zhuǎn)過?Φ，彈簧要產(chǎn)生反力矩M2，M2=C?Φ，C—彈簧的彈性常數(shù)．2023/8/2161第61頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月達到平衡時，M1＝M2，此時的M1=VHMsinΦ，Φ=Φ0-?Φ,這樣可求出M(4-21)用光尺讀數(shù)測量?Φ，?Φ正比于光尺讀數(shù)α，把式(4-21)的不變量看作常數(shù)，用K表示，可寫為

M=Kα(4-22)實際測量過程中?Φ很小，可以認為sinΦ≈sinΦ02023/8/2162第62頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月式(4-22)表明，α越大，M就越大．當H＞28×l04A／m時，M即為Ms，它與試樣中鐵磁相的數(shù)量成正比，常用α代表試樣中鐵磁相的數(shù)量。測量A等溫轉(zhuǎn)變曲線時:若A未發(fā)生轉(zhuǎn)變，則α=0．開始轉(zhuǎn)變時，α隨轉(zhuǎn)變數(shù)量的↑而↑；轉(zhuǎn)變終了時，α達到最大值.2023/8/2163第63頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月圖4-16沖擊磁性儀示意圖1試樣2非磁性支架3電磁鐵的磁頭4測量線圈5沖擊檢流計6鋼管測量時將試樣沿x方向迅速投入磁極間隙或抽出．如試樣存在鐵磁相，測量線圈中的磁通要變化．設投入試樣前測量線圈中的磁通量為Φ1，則沖擊磁性儀結(jié)構(gòu)原理如下圖示．4．用沖擊法測殘余奧氏體2023/8/2164第64頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月Φ1=B×S1

(4-23)式中：B—磁感應強度；S1

—測量線圈的截面積．試樣投入后，磁通量將增加到Φ2：

(4-24)式中：S2

—試樣的截面積；

—真空磁導率。4．用沖擊法測殘余奧氏體線圈中相當于增加了鐵芯，鐵磁相產(chǎn)生磁化2023/8/2165第65頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月試樣投入前后測量線圈中磁通的變化量為試樣投入后測量線圈中的磁通從Φ1隨時間變化為Φ2，由此所產(chǎn)生的感應電動勢為(4-27)(4-25)則(4-26)式中：N—測量線圈的匝數(shù)．2023/8/2166第66頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月設測量回路電阻為R，回路的感應電流為(4-28)通過檢流計的電量Q與檢流計燈尺上光點最大偏移格數(shù)am成正比，即在時間t內(nèi)流經(jīng)檢流計的電量為(4-30)式中：Cb—沖擊檢流計的沖擊常數(shù)．(4-29)(4-31)由此可得2023/8/2167第67頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月以代替可得(4-32)

—測量回路的沖擊常數(shù)。沖擊磁性儀的H很強，使試樣達到磁飽和，所測出的M與試樣中鐵磁相的數(shù)量成正比。

2023/8/2168第68頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月測淬火鋼的A殘余量時，常用相對標準試樣(其成分和尺寸與被測試樣完全相同)。eg：對碳鋼和低合金鋼可淬火后立即冷處理或淬火后再經(jīng)250～300℃回火處理作為標樣。將標樣投入檢流計，讀出檢流計讀數(shù)α0，再將被測樣投入檢流計，讀數(shù)α，設A殘余量為A'，則由此可測出A殘余量。(4-33)2023/8/2169第69頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月1.

自發(fā)磁化，磁各向異性，磁致伸縮，磁疇，退磁能，磁疇壁，飽和磁化強度，磁滯效應，反鐵磁性物質(zhì),剩余磁感應強度，矯頑力，磁滯回線，磁滯損耗2.簡述材料的磁性及物理本質(zhì)3.材料的抗磁性來源于什么？證明其是如何產(chǎn)生的？

四章作業(yè)2023/8/2170第70頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月4.材料的順磁性來源于什么？說明其是如何產(chǎn)生的？5.抗磁與順磁分析的應用：1)測Al-Cu合金的溶解度曲線2)研究鋁合金的分解（含5﹪Cu的鋁合金）Al-Cu合金淬火和退火狀態(tài)的磁化率與溫度的關(guān)系2023/8/2171第71頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月6.鐵磁性的應用：用感應熱磁儀法測量鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線用熱磁儀測定鋼的過冷奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線用沖擊法測殘余奧氏體7.說明鐵磁性物質(zhì)的自發(fā)磁化理論。8.分別舉例說明哪種金屬是抗磁性材料；哪種為順磁性材料；哪種為鐵磁性材料。四章作業(yè)2023/8/2172第72頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月5.1金屬的熱膨脹及物理本質(zhì)一.熱膨脹的概念及熱膨脹系數(shù)

物體的體積或長度隨溫度升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹．物體的伸長和T間關(guān)系：式中：L1、L2—分別是Tl、T2溫度試樣的長度；—T1升到T2間的平均線膨脹系數(shù)(5-1)(5-2)第五章膨脹分析2023/8/2173第73頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月當?T和?L趨近于0時，得到—T溫度的真線性膨脹系數(shù)。單位為K-1(5-3)第五章膨脹分析2023/8/2174第74頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

固體材料的不是常數(shù)，而隨T變化，通常隨T↑而↑，如下圖示圖5-1固體材料的膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系

2023/8/2175第75頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

無機非金屬材料的線膨脹系數(shù)較小，約為10-5~l0-6K-1，鋼的線膨脹系數(shù)多在(10~20)×10-6K-1范圍。2023/8/2176第76頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月物體V隨T的↑可表示為

為體膨脹系數(shù)，對各向同性的立方體材料，可近似為的3倍。

對各向異性的晶體，各晶軸方向的線膨脹系數(shù)不同，假如分別設為、、，則

忽略二次方以上的項，得所以(5-7)(5-4)(5-5)(5-6)2023/8/2177第77頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

在晶格振動理論中，曾近似地認為質(zhì)點的熱振動是簡諧振動，T的↑只↑振幅，不改變平衡位置，因此質(zhì)點間平均距離不因T↑而改變．熱量變化不改變晶體的大小和形狀，也就不會有熱膨脹．此結(jié)論顯然是錯誤的。錯誤原因：晶格振動中相鄰質(zhì)點間的作用力不與位移成正比．二.熱膨脹的機理最初的熱膨脹理論2023/8/2178第78頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5-2晶體中質(zhì)點間引力-斥力曲線和位能曲線由左圖知，質(zhì)點在平衡位置r0兩側(cè)受力情況不對稱，合力曲線的斜率是不等的，

r＜r0，曲線斜率較大，斥力隨位移↑得快，

r＞r0，斜率較小，引力隨位移↑得慢些用引力-斥力曲線解釋熱膨脹本質(zhì)2023/8/2179第79頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5-2晶體中質(zhì)點間引力-斥力曲線和位能曲線

在這樣的受力情況下，質(zhì)點振動時的平均位置就不在r0，要向右移動，使相鄰質(zhì)點間平均距離↑。

T越高，振幅越大，質(zhì)點在r0兩側(cè)受力不對稱越顯著，平衡位置向右移動得越多，相鄰質(zhì)點間平均距離也就↑得越多，使晶胞參數(shù)增大，晶體膨脹。2023/8/2180第80頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月圖5-3晶體中質(zhì)點振動非對稱的示意圖

由左圖作平行橫軸的平行線El、E2…，它們與橫軸間距離分別代表T1、T2…質(zhì)點振動的總能量．

Tl時，質(zhì)點的振動位置在E1線的ab間變化，位能按曲線變化。用位能曲線的非對稱性解釋熱膨脹本質(zhì)

位置在A時（r＝r0），位能最小，動能最大。在r＝ra和r＝rb時，動能為0，位能等于總能量。2023/8/2181第81頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

和的非對稱性，使平均位置不在r0處，而是r=r1。

T↑到T2，平均位置移到r＝r2，平均位置隨T的不同沿AB曲線變化，∴T愈高，平均位置移得愈遠，晶體愈膨脹。

以上討論的是導致熱膨脹的主要原因.

次要因素:晶體中各種熱缺陷造成局部晶格的畸變和膨脹，隨T↑熱缺陷濃度按指數(shù)關(guān)系增加，在高溫時這方面的影響對某些晶體來講也就變得重要了。2023/8/2182第82頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月1.化學組成、晶體結(jié)構(gòu)和鍵強度1）鍵強度高的材料，膨脹系數(shù)低2）通常結(jié)構(gòu)緊密的晶體熱膨脹系數(shù)都較大，而結(jié)構(gòu)較松散的材料，往往熱膨脹系數(shù)小3）非等軸晶系的晶體，各晶軸方向的膨脹系數(shù)不等，在結(jié)構(gòu)上高度各向異性的材料，膨脹系數(shù)都很小。三．影響材料熱膨脹系數(shù)的因素2023/8/2183第83頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月2.相變、合金成分、組織、晶體結(jié)構(gòu)及鋼中組成相1）材料相變時，膨脹系數(shù)也變化2）組成合金的溶質(zhì)元素對合金膨脹系數(shù)有明顯影響。由簡單金屬與非鐵磁性金屬組成的單相均勻固溶體的膨脹系數(shù)介于兩組元膨脹系數(shù)之間，且隨溶質(zhì)原子濃度的變化呈直線式變化。3）多相合金的膨脹系數(shù)介于各組成相膨脹系數(shù)之間。4）鋼的膨脹系數(shù)取決于組成相特性，A的膨脹系數(shù)最高。5）鋼中的合金元素形成碳化物，膨脹系數(shù)↑；固溶于鐵素體中，膨脹系數(shù)↓。三．影響材料熱膨脹系數(shù)的因素2023/8/2184第84頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月等軸晶系

又稱立方晶系，軸長a=b=c，軸角α=β=γ=90°.

等軸晶系的晶體大多數(shù)為立方體，有六個面，具有相同長度、寬度、高度。2023/8/2185第85頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

主要介紹測定粉末和金屬材料熱膨脹的幾種常用方法．1.熱膨脹系數(shù)的測定

將試樣裝在加熱爐爐管的托座上，按規(guī)定的升溫速率加熱試樣到試驗最終溫度通過放大倍率10倍以上的望遠鏡直讀，以及位移傳感器或千分表測量試樣加熱過程的線膨脹變化.

按下式計算由室溫至試驗溫度的各溫度間隔的線膨脹率：5.2膨脹的測量及應用(1)望遠鏡直讀法測定粉末試樣的方法（1）、（2）2023/8/2186第86頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月(5-8)(5-9)式中：—試樣的線膨脹率，％；

—試樣在室溫下的長度，；

—試樣在試驗溫度T時的長度，;—左鏡筒測量的試樣長度變化值，;—右鏡筒測量的試樣長度變化值，5.2膨脹的測量及應用2023/8/2187第87頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月由下式計算由室溫至試驗溫度的平均線膨脹系數(shù)：(5-10)

將試樣裝在裝樣管內(nèi)用頂桿壓住，頂桿與位移傳感器或千分表接觸.

在加熱爐中，按規(guī)定的升溫速率加熱試樣到試驗最終溫度．并經(jīng)位移傳感器或千分表測量加熱過程中試樣的線膨脹情況．按下式計算由室溫至試驗溫度的各溫度間隔的線膨脹率：式中：—試樣的平均線膨脹系數(shù)，1/K；

—室溫，K—試驗溫度，K(2)頂桿式間接法2023/8/2188第88頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月(5-11)式中：—試樣的線膨脹率，％；

—試樣在室溫下的長度，mm；

—試樣在試驗溫度T時的長度，㎜；

A(t)—在溫度T時儀器的校正值，㎜。

還可按式(5-10)計算由室溫至試驗溫度的平均線膨脹系數(shù)。2023/8/2189第89頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月測定棒狀試樣的方法：（3）(3)對金屬棒狀樣品，可用光杠桿法測其線膨脹系數(shù)．如下圖示，測量時，將待測金屬棒直立在線膨脹測定儀的金屬筒中，將光杠桿的后足尖置于金屬棒的上端，二前足尖置于固定的臺上，圖5-4線膨脹測定儀設在溫度T1時，通過望遠鏡和光杠桿的平面鏡，看見直尺上的刻度剛好在望遠鏡中叉絲橫線(或交點)處，當溫度升至時，直尺上刻度移至叉絲橫線上．則根據(jù)光杠桿原理可得：2023/8/2190第90頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月(5-12)

:長度的微小變化；

D:光杠桿鏡面到直尺的距離；

d:光杠桿后足尖到二前足尖聯(lián)線的垂直距離．將式（5-12）帶入式則得(5-13):膨脹系數(shù)；:試樣長度。2023/8/2191第91頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

當釉的膨脹系數(shù)適當?shù)兀寂鞯呐蛎浵禂?shù)時，制品的機械強度得到提高．釉的膨脹系數(shù)比坯的小，燒成后的制品在冷卻過程中，表面釉層的收縮比坯的小，使釉層中存在著壓應力，能明顯↑脆性材料的強度，同時壓應力也抑制了釉層微裂紋的產(chǎn)生及發(fā)展。反之，若釉層的膨脹系數(shù)比坯的大，在釉層中形成拉應力，對強度不利，且過大的拉應力會使釉層龜裂．釉層的膨脹系數(shù)不能比坯的小得太多，否則會使釉層剝落而造成缺陷．

2．熱膨脹的應用普通陶瓷坯和釉的膨脹系數(shù)要相適應一.熱膨脹系數(shù)的直接應用2023/8/2192第92頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月精密儀器儀表的零件要有較小的膨脹系數(shù)，以提高儀器、儀表的精度。

2．熱膨脹的應用在電子管生產(chǎn)中應該使陶瓷和金屬的膨脹系數(shù)盡可能接近．一.熱膨脹系數(shù)的直接應用2023/8/2193第93頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月M轉(zhuǎn)變點Ms的測定

A轉(zhuǎn)變?yōu)镸時所產(chǎn)生的體積效應為最大，用膨脹法測Ms點效果很好。馬氏體轉(zhuǎn)變的膨脹曲線見下圖。馬氏體轉(zhuǎn)變膨脹曲線圖中ABDE為測得的膨脹曲線，B和D是膨脹曲線上的拐折點，它們對應的溫度分別為Ms和Mf。二.膨脹分析的應用2023/8/2194第94頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

從膨脹曲線確定組織轉(zhuǎn)變臨界點有兩種方法。亞共析鋼膨脹曲線上的切離點和峰示意圖2023/8/2195第95頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月

取膨脹曲線上4個極值點、a′、b′、c′、d′所對應T分別作為組織轉(zhuǎn)變臨界點。如此確定的T與實際轉(zhuǎn)變溫度存在一定誤差，僅適于作對比分析。第一種方法

取膨脹曲線上偏離單純熱膨脹規(guī)律的開始點，a、b、c、d，即切離點為拐折點．該法從理論上講是正確的，但判斷切離點時易受主觀因素影響，為減少目測誤差，須用高精度膨脹儀測量，得到細而清晰的膨脹曲線。第二種方法2023/8/2196第96頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月1.基本概念：熱膨脹2.熱膨脹的物理本質(zhì)1）用斥力-引力曲線解釋2）用位能曲線非對稱性解釋3.熱膨脹的應用4.從膨脹曲線確定組織轉(zhuǎn)變臨界點有哪兩種方法？根據(jù)其中的一種方法判斷下圖中M轉(zhuǎn)變的開始溫度Ms點及M轉(zhuǎn)變的終了溫度Mf，并在圖中標出。第五章作業(yè)馬氏體轉(zhuǎn)變膨脹曲線2023/8/2197第97頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月6.1壓電性能

一、壓電效應的基本原理

某些介電晶體(無對稱中心的異極晶體)，當其受拉應力、壓應力或切應力作用時，會在晶體中誘發(fā)出介電極化，導致晶體兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與外力成正比．第六章壓電性能與鐵電性能

沒有電場作用，由機械應力的作用使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象稱為壓電效應．2023/8/2198第98頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體的壓電效應可用圖6-1解釋圖6-1壓電晶體產(chǎn)生壓電效應的機理示意圖圖(a):壓電晶體中的質(zhì)點在某方向上的投影．此時，晶體不受外力。正、負電荷的重心重合，因而晶體表面不荷電．

當沿某一方向?qū)w施加機械力時，晶體就會發(fā)生由于形變而導致的正、負電荷重心不重合，從而引起晶體表面的荷電現(xiàn)象。2023/8/2199第99頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月圖6-1壓電晶體產(chǎn)生壓電效應的機理示意圖圖(b)為晶體受壓縮時荷電的情況.圖(c)是拉伸時的荷電情況．在這兩種情況下，晶體表面帶電的符號相反．

沒有電場作用，由機械應力的作用而使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象也稱為正壓電效應.2023/8/21100第100頁，課件共114頁，創(chuàng)作于2023年2月將具有壓電效應的電介質(zhì)晶體置于電場中，電場的作用會引起晶體內(nèi)部正負電荷重心的位移。這一極化位移又導致晶體發(fā)生形變，這個效應就稱為逆壓電效應．無論是正壓電效應，還是逆壓電效應，兩者統(tǒng)稱為壓電效應．壓電效應是一種機電耦合效應，可將機械能轉(zhuǎn)換為電能，或反之．具有此效應的材料稱為壓電材料。20