第四章材料的磁性能4.1磁學基本量及磁性分類4.2鐵磁性和亞鐵磁性材料的特性4.3磁性材料的自發磁化和技術磁化4.4磁性材料的動態特性4.5磁性材料4.6信息存儲磁性材料4.7磁性測量與應用(1)精密合金牌號采用阿拉伯數字與漢語拼音字母相結合的方法表示。(2)以字母“J”(“精”字漢語拼音“jing"的第一個字母)與其前面的數字表示精密合金的類別。即：

1J—軟磁合金4J—膨脹合金

2J—變形永磁合金

5J—熱雙金屬

3J—彈性合金

6J—精密電阻合金(3)字母“J”后第一、二位數字表示不同合金牌號(熱雙金屬例外)的序號。序號從01開始，可編到99。精密合金牌號4.1磁學基本量及磁性分類4.1.1磁學基本量1、磁極一根棒狀磁鐵，均有兩個磁極(N極和S極)；磁極之間有相互作用力：同性相斥，異性相吸；當兩磁極的強度為m1和m2時，且距離為r時，磁極間的作用力為m1、m2

：wb(韋伯)

2、磁距一環形電流的磁矩定義為：在磁感應強度為B的磁場中，磁矩m所受的力矩為：靜磁能：磁矩與外磁場的作用能。一根長為l(m)，極強為m(wb)的棒狀磁鐵產生的磁矩。方向：由S→N極m方向：右手定則3、磁化強度M磁體單位體積中微觀磁矩的向量和.M=∑m

/V(A/m)設一個宏觀磁體由許多具有固有磁矩的原子組成，當原子磁矩紊亂排列時，宏觀磁體對外不顯示磁性。

在外磁場作用下當原子磁矩同向平行排列時，宏觀磁體對外顯示磁性最強，這種現象稱為材料被磁化。4、磁感應強度（磁通密度）磁體中單位面積中通過的磁力線數。單位:T（特斯拉）B=μ0M+μ0H=μ0(M+H)自由空間磁場(在物質內部的外磁場)；材料由于磁化引起的附加磁場。材料的磁感應強度由兩部分疊加而成：5、磁場強度根據產生磁場的方式，有兩種表達式：電流產生的磁場一個每米有N匝線圈，通以電流強度為i(A)的無限長螺線管軸線中央的磁場強度。H=Ni（A/M)磁鐵在其周圍產生的磁場極強為m1的磁極，在距離r處產生的磁場強度是單位極強(m2=1wb)在該處所受到的作用力磁性材料的磁導率定義為磁感應強度與磁場強度之比：

μ=B/H

μ0

:真空磁導率，4π×10-7

H/m

;

μ:絕對磁導率，μr:相對磁導率μr=μ/μ0

磁化率定義為磁化強度與磁場強度之比,表示介質在磁場中被磁化的程度。單位體積磁化率χ=M/H摩爾質量磁化率χA=χV單位質量磁化率χd=χ/d6、磁導率和磁化率μr=1+χ

真空

空氣

鉑

鋁

鈉

氧

汞

銀

銅

碳(金剛石)

鉛

巖鹽

(標準狀態)

20o

20o

20o

(標準狀態)

20o

20o

20o

20o

20o

20o1

1.00000004

1.00026

1.000022

1.0000072

1.0000019

0.999971

0.999974

0.99990

0.999979

0.999982

0.9999860

0.04

26

2.2

0.72

0.19

-2.9

-2.6

-1.0

-2.1

-1.8

-1.4物質溫度(20oC）

μrχ×1054.1.2磁性物質分類根據物質的磁化率，可把物質的磁性大致分為五類：1、抗磁體：磁化率χ為甚小的負數，大約在10-6量級。“經典”抗磁體：磁化率與溫度無關Au、Ag、Cu、Hg、Zn反常抗磁體：磁化率隨溫度變化，且大小是前者的10~100倍。Bi、Ga、Sb、Sn、InＭＨ鐵磁性材料亞鐵磁性材料順磁性材料反鐵磁性材料抗磁性材料4.1.2磁性物質分類根據物質的磁化率，可把物質的磁性大致分為五類：2、順磁體：磁化率χ為正值，約為10-3~10-6。在磁場中受到微弱吸引力。正常順磁體：反常順磁體：磁化率與溫度無關Li、Na、K、RbＭ鐵磁性材料亞鐵磁性材料順磁性材料反鐵磁性材料抗磁性材料ＨPt、Pd、稀土金屬Ｍ鐵磁性材料亞鐵磁性材料順磁性材料反鐵磁性材料抗磁性材料Ｈ4.1.2磁性物質分類根據物質的磁化率，可把物質的磁性大致分為五類：3、鐵磁體：χ位很大的正數，與磁場呈非線性關系。在較弱的磁場下，能產生很大的磁化強度。Fe、Co、Ni、Nd2Fe14BＭ鐵磁性材料亞鐵磁性材料順磁性材料反鐵磁性材料抗磁性材料Ｈ4.1.2磁性物質分類根據物質的磁化率，可把物質的磁性大致分為五類：4、亞鐵磁體：χ較鐵磁體略小。

Fe3O4，鐵氧體5、反鐵磁體：χ是小的正數，在溫度較低時，

χ與磁場取向有關，高于這個溫度，是順磁體。α–Mn，Cr，NiO，MnO4.1.3原子本征磁矩、順磁性和抗磁性1、原子本征磁矩材料的磁性來源：原子磁矩原子磁矩電子軌道磁矩電子自旋磁矩原子核磁矩對于物質中的分子，任一個電子都同時參與環繞原子核的軌道運動和電子本身的自旋，這兩種運動都能產生磁效應。電子軌道磁矩ω：電子繞核運動的角速度

L：電子軌道運動角動量的大小電子軌道磁矩在外磁場方向上的投影滿足量子化條件：μB：波爾磁子，9.273×10-24J/T電子自旋磁矩mSZ=±μB

符號取決于電子自旋方向2、抗磁性抗磁性來源于電子軌道運動。所有物質均有抗磁性。凡是電子殼層被填滿了的物質均屬于抗磁性物質。惰性氣體：離子型固體：NaClNa+Cl-共價鍵：CSiGePS大部分有機物部分金屬3、順磁性來源于原子的固有磁矩。產生順磁性的條件是原子的固有磁矩不為零（1）具有奇數個電子的原子或點缺陷（2）內殼層未被填滿的原子或離子。例如過渡族金屬和稀土族金屬。大多數物質屬于順磁性物質。例如：室溫下的稀土金屬居里點以上Fe、Co、Ni。

Li、Na、K、Ti、Al4.2鐵磁性和亞鐵磁性材料的特性4.2.1磁化曲線（1）B隨H呈線性地緩慢增長，可逆疇壁移動過程。（2）B隨H急劇增長，不可逆疇壁移動過程的巴克豪森（Barkhausen）跳躍。（3）B的增長趨于緩慢。磁疇的磁化矢量已轉到最接近H方向，B的增長主要靠可逆轉動過程來實現。（4）磁化曲線極平緩地趨近于水平線而達到飽和狀態。4.2鐵磁性和亞鐵磁性材料的特性4.2.1磁化曲線BsMs

相當于磁化曲線起始部分的斜率；技術上規定在0.1-0.001Oe磁場的磁導率為μi；軟磁材料作為磁傳感時的重要技術參量。起始磁導率：磁化曲線中斜率最大的值；軟磁材料做為磁芯部分的重要技術參量。最大磁導率：μm4.2.2磁滯回線23456BHO磁感應強度滯后于磁場強度變化的性質稱為磁滯性。如圖為磁性物質的滯回曲線。剩余磁感應強度Br矯頑磁力Hc退磁曲線磁滯損耗4.2.3磁晶各向異性和各向異性能單晶體的不同方向上，磁性能是不同的。磁化功磁晶各向異性常數對于立方晶體，設α、β、γ分別是磁化強度與三個晶軸方向所成夾角的方向余弦，即鐵在20℃時的值約為4.2×104J/m3，鈷的值為4.1×105J/m3，鎳的值為-0.34×104J/m3。K1為晶體各向異性能常數。4.2.4鐵磁體的形狀各向異性和退磁能鐵磁體在磁場中的能量為靜磁能，包括鐵磁體與外磁場的相互作用能；鐵磁體在自身退磁場中的能量，稱為退磁能。鐵磁體的形狀不同，其退磁能不同，導致磁化形為不同，稱為形狀各向異性。

當鐵磁體表面出現磁極后，除在鐵磁周圍空間產生磁場外，在鐵磁體內部也產生磁場，這一磁場與鐵磁體的磁化方向相反，起到退磁作用，稱為退磁場。N：退磁因子與鐵磁體形狀有關。

退磁場與磁化強度成正比；退磁場與鐵磁體形狀有關；負號表示退磁場方向與磁化強度相反。SNHdH鐵磁體的退磁場鐵磁體與自身退磁場的相互作用能稱為退磁場能4.2.5磁致伸縮與磁彈性能磁致伸縮：鐵磁體在磁場中磁化，因其形狀和尺寸變化。磁致伸縮系數：飽和磁致伸縮系數：正磁致伸縮負磁致伸縮磁致伸縮系數λs

10-6～10-3之間單晶體磁致伸縮具有各向異性。立方晶體平均磁致伸縮系數：非取向多晶體的磁致伸縮等于不同取向晶粒的磁致伸縮的平均值。體積磁致伸縮系數

設鐵磁本原來的體積為Vo，磁化后體積為V，體積的相對變化為體積磁致伸縮系數除因瓦合金以外，一般鐵磁體的ω在10-8～10-10，很小，可忽略；磁化場小于飽和磁化場Hs時，只有線磁致伸縮。磁彈性能：物體在磁化時要伸長（收縮），若受到限制，則在物體內部產生壓應力（拉應力）。這樣物體內部將產生彈性能，稱為磁彈性能。對于多晶體，單位體積內的磁彈性能：4.3磁性材料的自發磁化與技術磁化1907年，法國，外斯，鐵磁性假說鐵磁物質內部存在很強的“分子場”，在“分子場”的作用下，原子磁矩趨向于平行排列，即自發磁化至飽和，稱為自發磁化；鐵磁體自發磁化分成若干個小區域（磁疇），由于各區域磁化方向不一致，其磁性彼此相互抵消，所以大塊磁體對外不顯示磁性。4.3.1自發磁化理論鐵磁性材料的磁性是自發產生的。磁化過程只不過是將物質本身的磁性顯示出來，而不是由外界向物質提供磁性的過程。1、鐵磁性產生的原因（1）原子內部有未填滿的電子殼層（2）交換積分A為正。

原子之間相互接近形成分子時，電子云相互重疊，產生相互作用。對于過渡族元素，原子的3d狀態與s態能量相差不大。它們的電子云相互重疊，使s、d態電子再分配，這種作用便產生一種交換能Eex。由量子力學得到:A：交換積分常數θ：相鄰原子磁矩夾角A>0：相鄰原子磁矩排列相同，從而實現自發磁化；A＝0：相鄰原子磁矩排列紊亂，為順磁；A<0：相鄰原子磁矩反向排列。A>0A＝0A<0只有當原子核之間的距離Rab(點陣常數)與參加交換作用的電子距核的距離(電子殼層半徑)r之比大于3時，A為正。交換積分常數的影響因素電子運動狀態的波函數；原子核之間的距離。A為負值的元素可通過合金化，改變點陣常數，使A>0。溫度高于居里溫度時，完全破壞了原子磁矩的規則取向，鐵磁性變為順磁性。溫度對鐵磁性的影響自發磁化強度降低當溫度升高時原子間距加大，降低了交換作用。熱運動不斷破壞原子磁矩的規則取向。2、反鐵磁性與亞鐵磁性反鐵磁性：Ａ＜０，原子磁矩反向平行排列是能量最低。相鄰原子磁矩相等，由于原子磁矩反向平行排列自發磁化強度等于零。反鐵磁性物質磁化率與溫度關系

以氧化錳(MnO)為例，它是離子型陶瓷材料，由Mn2+和O2-離子組成。O2-離子沒有凈磁矩，因為其電子的自旋磁矩和軌道磁矩全都對消了；Mn2+離子有未成對3d電子貢獻的凈磁矩。在MnO晶體結構中，相鄰Mn2+離子的磁矩都成反向平行排列，結果磁矩相互對消，整個固體材料的總磁矩為零。亞鐵磁性由磁矩大小不同的兩種離子或原子構成，向同磁性的離子磁矩平行排列，不同磁性的離子磁矩反向平行排列。由于兩種磁矩不等，反向平行的磁矩不能相互抵消，表現為宏觀磁矩，這就是亞鐵磁性。具有亞鐵磁性的物質大部分是金屬氧化物。以立方鐵氧體為例說明亞鐵磁性的本質立方鐵氧體的化學式MFe2O4，其中的M為某種金屬元素磁鐵礦Fe3O4就是一種亞鐵磁體Fe3O4可以寫成Fe2+O2--(Fe3+)2(O2-)3其中二價鐵離子和三價鐵離子的比例為1:2每個Fe2+和Fe3+都具有凈自旋磁矩，分別為4和5O2-是無磁矩的鐵磁性反鐵磁性亞鐵磁性3、磁疇所謂磁疇，是指磁性材料內部的一個個小區域，每個區域內包含大量原子，這些原子的磁矩都象一個個小磁鐵那樣整齊排列，但相鄰的不同區域之間原子磁矩排列的方向不同。自發磁化是以小區域磁疇存在的，各磁疇的磁化方向不同。外斯假說宏觀物體一般總是具有很多磁疇，這樣，磁疇的磁矩方向各不相同，結果相互抵消，矢量和為零，整個物體的磁矩為零，它也就不能吸引其它磁性材料。也就是說磁性材料在正常情況下并不對外顯示磁性。只有當磁性材料被磁化以后，它才能對外顯示出磁性。各個磁疇之間的交界面稱為磁疇壁。布洛赫(Bloch)疇壁：在整個磁疇壁中，原子磁矩均平行于疇壁平面，這種疇壁叫布洛赫壁。磁疇壁是一個有一定厚度的過渡層，在過渡層中磁矩方向逐漸改變。疇壁內部能量高于疇內的能量。疇壁結構受交換能、各向異性能、磁彈性能、磁疇壁能、退磁能的影響減小退磁能是分疇的基本動力。交換能傾向于產生單疇結構，產生單疇之后，其端面處產生磁極，從而增加退磁場能。磁疇的形成磁性體中自由能的影響交換能與退磁場能兩個不同的競爭機制，使單疇分割成小磁疇。原子磁矩之間有一定相互取向，即交換能相對于磁疇內部升高。可以證明，逐漸轉向比突然轉向的交換能小。所以，疇壁的厚度越大，可降低壁的交換能。原子磁矩的逐漸轉向，使原子磁矩偏離易磁化方向，導致磁晶各向異性能增加。所以，磁晶各向異性能傾向于使疇壁變薄。夾雜處磁通的連續性遭到破壞，出現磁極和退磁場能。為減少退磁場能，往往在夾雜物附近出現附加疇，出現分疇現象。組織不均勻性的影響

一般不均勻性不僅導致進一步分疇，且疇壁切割不均勻區域，這是因為夾雜物、應力、空洞新的疇壁切割不均勻區域，可以降低疇壁的有效面積。4.3.2技術磁化理論技術磁化過程就是外加磁場對磁疇的作用過程。也就是外加磁場把各個磁疇的磁矩方向轉到外加磁場方向的過程。技術磁化的兩種方式：一是磁疇壁的遷移，二是磁疇的旋轉。磁化曲線和磁滯回線是技術磁化的結果4.3.2.1技術磁化本質第I部分（0A):可逆磁化過程。磁化曲線是線性的，沒有剩磁和磁滯。對應可逆壁移和磁矩轉動。第II部分（AB）:不可逆磁化階段，出現剩磁和磁滯，對應不可逆壁移和磁矩轉動。第Ⅲ部分（BC段）:磁疇中磁化強度矢量的轉動過程，對應磁矩不可逆轉動。4.3.2.2影響合金鐵磁性和亞鐵磁性的因素居里溫度：當溫度高于某臨界溫度時，材料從鐵磁性轉變為順磁性，這一溫度稱為居里溫度。1、溫度鐵磁性補償溫度2、加工硬化加工硬化點陣扭曲晶粒破碎內應力增加不利于磁化和去磁過程戈斯（Goss）織構在冷軋單取向硅鋼帶中，晶粒整齊一致地排列成高斯(GOSS)織構，如圖3-16示意，晶體的(110)面與軋制平面平行，易磁化的[001]軸在軋制方向上。垂直于軋制方向的是難磁化的[110]軸。最難磁化的[111]軸與軋制方向成54.79角。

3、合金元素量的影響1J22Co49~51%，V1.4~1.8%Bs=2.2TNi78%，坡莫合金Ni30%α→γMS：

Fe3C含量增加導致MS下降。同一含碳量，殘余奧氏體導致淬火態的Ms低于退火態。HC：隨含碳量增加而增加，與Fe3C含量有關，而且與組織形態有關。淬火態具有較高內應力，因而具有較高HC。4.4磁性材料的動態特性4.4.1交流磁化過程與交流回線交流磁化曲線Bm—Hm曲線極限交流回線動態磁滯回線特點：（1）交流回線形狀除與磁場強度有關外，還與磁場變化的頻率f和波形有關；（2）在一定頻率下，交流幅值磁場強度逐漸減少時，交流回線逐漸趨于橢圓形狀；（3）當頻率升高時，呈現橢圓回線的磁場強度的范圍會擴大，且各磁場強度回線下的矩形比Bra/Bmt會升高。損耗：軟磁材料磁化一周總的能量損耗W，由渦流損耗，磁滯損耗Wh和剩余損耗Wr三部分組成，通常以每公斤材料損耗的功率表示，即:W=We+Wh+Wr

We：在交變磁化條件下，材料垂直于磁場的平面內產生的渦流引起發熱產生的損耗。循環磁化一周的渦流損耗與材料的電阻率、厚度D、磁感變化幅度Bm關系如下:

We∝D2Bm2/ρ

Wh：在循環磁化條件下，材料每循環磁化一周所消耗的能量，它也以熱的形式表現出來，其大小與磁滯回線的面積呈正比。Wr

：從總損耗中扣除渦流損耗和磁滯損耗所剩的部分4.4.2磁損耗4.5磁性材料按矯頑力分類軟磁材料半硬磁材料硬（永）磁材料Hc<100A/m(1.25Oe)Hc:100～1000A/m(1.25～12.5Oe)Hc>1000A/m(12.5Oe)按用途分類鐵芯材料磁記錄材料磁頭材料磁致伸縮材料磁屏蔽材料變壓器、繼電器錄音機通訊儀器、電器磁帶、磁盤傳感器磁性材料分類4.5.1軟磁材料用途：發電機、電動機、變壓器、電磁鐵、各類繼電器與電感、電抗器的鐵心；磁頭與磁記錄介質；計算機磁心等。要求：高的飽和磁感應強度、高的最大磁導率、高的居里溫度和低的損耗。分類：高磁飽和材料，中磁飽和中導磁材料，高導磁材料，高硬度、高電阻、高導磁材料，矩磁材料，恒磁導率材料，磁溫度補償材料，磁致伸縮材料。軟磁材料特點具有較高的磁導率和較高的飽和磁感應強度；較小的矯頑力（矯頑力很小，即磁場的方向和大小發生變化時磁疇壁很容易運動）和較低磁滯損耗，磁滯回線很窄；在磁場作用下非常容易磁化；取消磁場后很容易退磁化

象軟鐵、坡莫合金、硒鋼片、鐵鋁合金、鐵鎳合金等。由于軟磁材料磁滯損耗小，適合用在交變磁場中，如變壓器鐵芯、繼電器、電動機轉子、定子都是用軟件磁性材料制成。組織結構與性能的關系材料均勻性對矯頑力、磁導率、損耗的影響各向異性對初始磁導率的影響采用高純原料4%Mo-79%Ni-17%Fe（1J79）非晶合金4.5.2硬磁材料分類：強磁性來源金屬永磁鐵氧體永磁制造工藝鑄造永磁可加工永磁燒結永磁粘結永磁磁硬化機制淬火硬化時效析出硬化有序硬化單疇微粉化學成分：碳鋼Ｗ鋼、Co鋼、Cr鋼、Mn鋼

Fe—Co鋼

Fe—Co—MoFe—Co—WFe—Co—NiRCo5R2Co17Nd—Fe—B磁鐵在氣隙空間所建立的磁能量密度。永磁體均在開路狀態下使用，作為磁場源或動作源。主要作用是在磁鐵的兩磁極空間(或稱空氣隙)產生磁場Hg。Hg=(BdHdVd/μ0Vg)1/2

式中Vd、Bd和Hd分別是磁鐵的體積、磁感強度和磁場強度，Vg、Hg是氣隙的體積和磁場強度。磁場強度（Hg）除與磁體的體積及氣隙體積有關外，主要取決于磁體的磁能積（BH）。最大磁能積（BH）max:退磁曲線上磁能積最大的一點，工程應用中通常將(BH)max稱為磁能積。磁能積（BH）對通常的永磁體的應用而言，Hg越大越好。因此在設計磁鐵時，應使其工作點在圖中的D點附近。同時、(BH)max越大，Hg也越大。(BH)max越高，所需要的磁體體積就越小(BH)max的大小取決于磁感矯頑力Hc、剩磁Br和隆起系數γ，即:(BH)max=γ·Br·HCB

硬磁材料特點：具有較大的矯頑力，典型值Hc＝104～106A/m；磁滯回線較粗，具有較高的最大磁能積(BH)max；剩磁很大；這種材料充磁后不易退磁，適合做永久磁鐵。4.5.2.2稀土永磁合金稀土永磁合金是稀土元素和3d族元素組成的金屬間化合物。它具有大的磁晶各向異性常數、高飽和磁化強度和居里溫度。釓二十世紀八十年代稱為第三代稀土永磁材料。

稀土永磁合金Re-Co永磁稀土Co永磁鐵基稀土永磁型Nd2Fe14B合金為代表的Re-Fe-B系永磁材料1:5型Re-Co磁體SmCo5單相與多相合金二十世紀六十年代；第一代稀土永磁2:17型Re-Co磁體Sm2Co17基合金二十世紀七十年代;第二代稀土永磁性能ReCo5Re2Co17NdFeB型Br(T)0.88-0.921.08-1.121.18-1.25HCB(kA/m)680-720480-544760-920Hci

(kA/m)960-1280496-560800-1040(BH)max(kJ/m3)152-168232-248264-288各類稀土永磁材料的性能比較