材料物理性能簡介-2014

基本要求一，基本概念：1. 摩爾熱容: 使摩爾物質(zhì)在沒有相變和化學(xué)反應(yīng)的條件下，溫度升高1K所需要的熱量稱為摩爾熱容。它反映材料從周圍環(huán)境吸收熱量的能力。2. 比熱容：質(zhì)量為1kg的物質(zhì)在沒有相變和化學(xué)反應(yīng)的條件下，溫度升高1K所需要的熱量稱為比熱容。它反映材料從周圍環(huán)境吸收熱量的能力。3. 比容：單位質(zhì)量（即1kg物質(zhì)）的體積，即密度的倒數(shù)（m3/kg）。4. 格波：由于晶體中的原子間存在著很強(qiáng)的相互作用，因此晶格中一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的微振動會引起臨近質(zhì)點(diǎn)隨之振動。因相鄰質(zhì)點(diǎn)間的振動存在著一定的位相差，故晶格振動會在晶體中以彈性波的形式傳播，而形成“格波”。5. 聲子（Phonon）: 聲子是晶體中晶格集體激發(fā)的準(zhǔn)粒子，就是晶格振動中的簡諧振子的能量量子。6. 德拜特征溫度: 德拜模型認(rèn)為:晶體對熱容的貢獻(xiàn)主要是低頻彈性波的振動，聲頻支的頻率具有0max 分布,其中,最大頻率所對應(yīng)的溫度即為德拜溫度D,即D=max/k。7. 示差熱分析法（Differential Thermal Analysis, DTA ）: 是在測定熱分析曲線（即加熱溫度T與加熱時(shí)間t的關(guān)系曲線）的同時(shí)，利用示差熱電偶測定加熱（或冷卻）過程中待測試樣和標(biāo)準(zhǔn)試樣的溫度差隨溫度或時(shí)間變化的關(guān)系曲線TT（t），從而對材料組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的一種技術(shù)。8. 示差掃描量熱法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）: 用示差方法測量加熱或冷卻過程中，將試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣的溫度差保持為零時(shí)，所需要補(bǔ)充的熱量與溫度或時(shí)間的關(guān)系。9. 熱穩(wěn)定性（抗熱振性）：材料承受溫度的急劇變化（熱沖擊）而不致破壞的能力。10. 塞貝克效應(yīng)：當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體組成一個(gè)閉合回路時(shí)，若在兩接頭處存在溫度差則回路中將有電勢及電流產(chǎn)生，這種現(xiàn)象稱為塞貝克效應(yīng)。11. 玻爾帖效應(yīng)：當(dāng)有電流通過兩個(gè)不同導(dǎo)體組成的回路時(shí)，除產(chǎn)生不可逆的焦耳熱外，還要在兩接頭處出現(xiàn)吸熱或放出熱量Q的現(xiàn)象。12. 邁斯納效應(yīng)：若在常溫下將超導(dǎo)體先放入磁場內(nèi)，則有磁力線穿過超導(dǎo)體；然后再將超導(dǎo)體冷卻至Tc以下，發(fā)現(xiàn)磁產(chǎn)從超導(dǎo)體內(nèi)被排出，即超導(dǎo)體內(nèi)無磁場B=0。即超導(dǎo)體具有完全的抗磁性。13. 鐵電體：具有電疇結(jié)構(gòu)和電滯回線的晶體。14. 鐵電性：具在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，且自發(fā)極化的方向可因外電場的作用而反向，晶體的這種特性稱為鐵電性。15. 自發(fā)極化：在沒有外電場作用時(shí)，晶體中存在著由于電偶極子的有序排列而產(chǎn)生的極化。16. 壓電效應(yīng)：在某些晶體（主要是離子晶體）的一定方向施加機(jī)械力作用時(shí)，晶體的兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，且束縛電荷的密度與施加的外力大小成正比，這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電效應(yīng)的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。17. 逆壓電效應(yīng)：將具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)置于外電場中，由于外電場的作用引起其內(nèi)部正負(fù)電荷中心位移，從而導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生形變（形變與所加電場強(qiáng)度成正比），這種由電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械效應(yīng)的過程稱為逆壓電效應(yīng)。18. 介質(zhì)損耗：由于導(dǎo)電或交變場中極化弛豫過程在電介質(zhì)中引起的能量損耗，由電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪埽ㄈ鐭?、光能等），統(tǒng)稱為介質(zhì)損耗。19. 光生伏特效應(yīng)：光照射引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)。當(dāng)光照射到PN結(jié)結(jié)區(qū)時(shí)，光照產(chǎn)生的電子空穴對在結(jié)電場作用下，電子推向N區(qū)，空穴推向P區(qū)；電子在N區(qū)積累使N區(qū)側(cè)帶負(fù)電，空穴在P區(qū)積累使P區(qū)側(cè)帶正電，從而建立一個(gè)與原內(nèi)建電位差相反的電位差，稱為光生電位差。20. 磁化強(qiáng)度：單位體積的總磁矩，表征物質(zhì)的磁化狀態(tài)。21. 磁疇：在未加磁場時(shí)鐵磁體內(nèi)部已經(jīng)磁化到飽和狀態(tài)的小區(qū)域。22. 磁致伸縮效應(yīng)：鐵磁體在磁場中被磁化時(shí)，其形狀和尺寸都發(fā)生變化的現(xiàn)象。23. 退磁場：當(dāng)鐵磁體磁化出現(xiàn)磁極后，這時(shí)在鐵磁體內(nèi)部由于磁極作用而產(chǎn)生一個(gè)與外磁化場反向的磁場，因它起到減弱外磁場的作用，故稱為退磁場。24. 技術(shù)磁化：在外磁場的作用下，鐵磁體從完全退磁狀態(tài)磁化到飽和的內(nèi)部變化過程。25. 磁導(dǎo)率：當(dāng)外磁場H增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B增加的速率叫磁導(dǎo)率，用表示， 即=B/H。26. 內(nèi)耗：固體材料對振動能量的損耗稱為內(nèi)耗，它代表材料對振動的阻尼能力。27. 滯彈性：在彈性范圍內(nèi)出現(xiàn)的非彈性現(xiàn)象（如彈性蠕變和彈性后效）。28. 滯彈性內(nèi)耗：由滯彈性產(chǎn)生的內(nèi)耗。29. 彈性模量：在彈性范圍內(nèi)，引起物體單位變形所需要的應(yīng)力大小。即材料所受應(yīng)力與應(yīng)變之間的線性比例系數(shù)， = E，其中稱為彈性模量。它表示材料彈性變形的難易程度。二，基本理論（含微觀機(jī)理）：熱學(xué): 杜隆珀替定律；愛因斯坦模型；德拜的比熱模型電學(xué): 1. 量子自由電子理論; 2. 能帶理論; 3.離子導(dǎo)電機(jī)制磁學(xué): 1鐵磁金屬的自發(fā)磁化理論; 2. 矯頑力理論（應(yīng)力理論，雜質(zhì)理論）熱膨脹：微觀機(jī)理彈性與內(nèi)耗: 1彈性理論；滯彈性內(nèi)耗機(jī)制（馳豫理論的基本思想）三，基本規(guī)律（含影響因素）熱學(xué)：熱容的實(shí)驗(yàn)規(guī)律，影響熱容的因素及規(guī)律（溫度，組織轉(zhuǎn)變，結(jié)構(gòu)相變，合金成分等）電學(xué)：導(dǎo)體，半導(dǎo)體，絕緣體的導(dǎo)電性隨溫度的變化規(guī)律；影響導(dǎo)電性的因素磁學(xué)：曲線；磁化規(guī)律；影響鐵磁性的因素（組織敏感參量和組織不敏感參量）熱膨脹：熱膨脹的實(shí)驗(yàn)規(guī)律；常見材料（如鋼組織）的膨脹規(guī)律彈性與內(nèi)耗：內(nèi)耗的實(shí)驗(yàn)測定；斯諾克內(nèi)耗實(shí)驗(yàn)四，實(shí)驗(yàn)測量方法與原理熱學(xué)：熱容的測定及熱分析方法磁學(xué)：磁性的測量方法及原理（如矯頑力等）熱膨脹：熱膨脹的測量方法彈性與內(nèi)耗：彈性模量及內(nèi)耗的測量原理；碳在Fe中的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散激活能的測定內(nèi)容簡介第一章. 材料的熱性能由于材料和制品往往要應(yīng)用于不同的溫度環(huán)境中，很多使用場合還對它們的熱性能有著特定的要求，因此熱學(xué)性能也是材料重要的基本性質(zhì)之一。固體材料的一些熱性能如比熱，熱膨脹、熱傳導(dǎo)等都直接與晶格振動有關(guān)，因此我們首先介紹熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)一些概念和晶格振動的有關(guān)內(nèi)容。1 材料的熱容熱容的概念:熱容的定義：物體在溫度升高1K時(shí)所吸收的熱量稱作該物體的熱容摩爾熱容：使摩爾物質(zhì)在沒有相變和化學(xué)反應(yīng)的條件下，溫度升高1K所需要的能量,它反映材料從周圍環(huán)境吸收熱量的能力。比熱容：質(zhì)量為1kg的物質(zhì)在沒有相變和化學(xué)反應(yīng)的條件下，溫度升高1K所需要的熱量稱為比熱容。它反映材料從周圍環(huán)境吸收熱量的能力。比容：單位質(zhì)量（即1kg物質(zhì)）的體積，即密度的倒數(shù)（m3/kg）。物體的熱容還與它的熱過程性質(zhì)有關(guān)，假如加熱過程是恒壓條件下進(jìn)行的，所測定的熱容稱為恒壓熱容(CP)。假如加熱過程是在保持物體容積不變的條件下進(jìn)行的，則所測定的熱容稱為恒容熱容(CV)。由于恒壓加熱過程中，物體除溫度升高外，還要對外界作功(膨脹功)，所以每提高1K溫度需要吸收更多的熱量，即CPCV， 1.1晶態(tài)固體熱容的經(jīng)驗(yàn)定律和經(jīng)典理論晶體的熱容，元素的熱容定律杜隆珀替定律：“恒壓下元素的原子熱容等于25J/Kmol”。實(shí)際上大部分元素的原子熱容都接近25 J/Kmol，特別在高溫時(shí)符合得更好。根據(jù)晶格振動理論，一個(gè)摩爾固體中有N個(gè)原子，總能量為：E = 3NkT=3RT 式中 N阿佛加德羅常數(shù)；T絕對溫度(K)；k波爾茨曼常數(shù)；R8.314(J/kmol)氣體普適常數(shù)。按熱容的定義，有: Cv= (dE/dT)v = 3NkB = 3R =24.91 J/(mol.K) 1.2晶態(tài)固體熱容的量子理論1.2.1 愛因斯坦模型愛因斯坦提出的假設(shè)是：晶體中所有原子都以相同的頻率振動,振動的能量是量子化的,且每個(gè)振子都是獨(dú)立的振子。當(dāng) T E 時(shí): =3R 這就是杜隆珀替定律的形式。當(dāng)T趨于零時(shí)，CV逐漸減小，當(dāng)T0時(shí)，CV=0，這都是愛因斯坦模型與實(shí)驗(yàn)相符之處，但是在低溫下，當(dāng)T D，CV3R這即是杜隆珀替定律。 當(dāng)溫度很低時(shí)，即T 107 ) ，選用兆歐表(粗測)，沖擊檢流計(jì)(精測)。n 中阻測量(R：102106) ，用萬用表，歐姆表，單電橋法(精測)。n 半導(dǎo)體用直流四探針法。n 金屬及合金電阻(R：10-6102) ，雙電橋或電位差計(jì)。重點(diǎn)掌握金屬導(dǎo)體，半導(dǎo)體，及絕緣體的測量方法，測量原理（含電路圖），測量步驟及計(jì)算公式。8電阻分析的應(yīng)用：n 碳鋼的回火n Al-Cu合金的時(shí)效n Cu3Au合金的有序-無序轉(zhuǎn)化n 測定固溶體溶解度曲線9. 熱電性能l 三個(gè)基本熱電效應(yīng): 塞貝克效應(yīng) (1821年發(fā)現(xiàn)); 珀耳帖效應(yīng) (1834年發(fā)現(xiàn)); 湯姆遜效應(yīng) （1854年發(fā)現(xiàn)）.在珀耳帖效應(yīng)中，如果電流方向與接觸電勢同向時(shí)，接觸端則放熱；如果電流方向與接觸端電勢反向時(shí)則吸熱。在湯姆遜效應(yīng)中，如果電流方向與溫差電勢方向相同時(shí)，則有熱流流出導(dǎo)體；如果電流方向與溫差電勢方向相反時(shí)，則有熱流流入導(dǎo)體。l 影響熱電勢的因素（合金元素，溫度，組織轉(zhuǎn)變，有序-無序轉(zhuǎn)變，鋼的含碳量及熱處理的影響，l 熱電勢的測量l 熱電性分析的應(yīng)用熱電子效應(yīng)10. 壓電性與鐵電性正壓電效應(yīng)：在某些晶體（主要是離子晶體）的一定方向施加機(jī)械力作用時(shí)，晶體的兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，且束縛電荷的密度與施加的外力大小成正比，這種由機(jī)械效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電效應(yīng)的現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)：將具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)置于外電場中，由于外電場的作用引起其內(nèi)部正負(fù)電荷中心位移，從而導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生形變（形變與所加電場強(qiáng)度成正比），這種由電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成機(jī)械效應(yīng)的過程稱為逆壓電效應(yīng)。晶體的介電性：電場作用引起電介質(zhì)產(chǎn)生極化的現(xiàn)象. 電介質(zhì)的極化強(qiáng)度與施加電場呈正比： P= eo ceE鐵電性：在一定溫度范圍內(nèi)具有自發(fā)極化，在外電場作用下，自發(fā)極化能重新取向，電位移矢量與電場強(qiáng)度間的關(guān)系呈電滯回線特征。 （具有自發(fā)極化的晶體）鐵電體：具有電疇結(jié)構(gòu)和電滯回線的晶體。11熱釋電效應(yīng)12光電性，磁電性一. 外光電效應(yīng) 在光線作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。 光電效應(yīng)能否產(chǎn)生,取決于光子的能量是否大于該物質(zhì)表面的電子逸出功。這意味著每一種物質(zhì)都有一個(gè)對應(yīng)的光頻閥值,稱為紅限頻率（對應(yīng)的光波長稱為臨界波長）。 f光線 f紅限，微弱的光線即可導(dǎo)致電子發(fā)射。習(xí)題1. 光電管的光電子發(fā)射面受到 = 2537 的光照射，所放出的電子最大能量為2.5 eV，試求材料的逸出功。注： h = 6.62610-34 Js； c = 3108 m/s；q=1.610-19 庫侖。二.內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：1.光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。本征吸收: 半導(dǎo)體吸收光子的能量使價(jià)帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，在價(jià)帶中留下空穴，產(chǎn)生等量的電子與空穴，這種吸收過程叫本征吸收。產(chǎn)生本征吸收的條件：入射光子的能量（h）至少要等于材料的禁帶寬度Eg。即h Eg。從而有0Eg/h， 0 hc/Eg = 1.24meV/Eg，h：普朗克常數(shù)；c：光速；0：材料的頻率閾值；0：材料的波長閾值習(xí)題2. 已知Ge和Si的禁帶寬度分別為0.72 eV和1.1 eV，試求光照下本證Ge和Si發(fā)生光電效應(yīng)時(shí)所需光的最小波長？習(xí)題3. 某功函數(shù)為2.5 eV的金屬表面受到光照射，（1）這個(gè)面吸收紅光（紅=760 nm）或紫光（紫=380 nm）時(shí)，能發(fā)出光電子嗎？（2） 用波長為185 nm的紫外光照射時(shí)，從表面放出的光電子能量是多少電子伏特eV？2.光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。改錯(cuò)：1當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，所產(chǎn)生的光生電位差與PN結(jié)原內(nèi)建電位差相同。 答：錯(cuò)；當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，所產(chǎn)生的光生電位差與PN結(jié)原內(nèi)建電位差相同（反）。第三章. 材料的磁學(xué)性能一， 基本參量分子電流理論 磁荷（等效）理論 相互關(guān)系磁矩： 磁偶極矩： 磁化強(qiáng)度： 磁極化強(qiáng)度： 磁場強(qiáng)度：H 磁感應(yīng)強(qiáng)度：B 磁化率：=M/H 磁導(dǎo)率：=B/H 二，基本關(guān)系； ； ； 三，單位換算SI： CGS：B: T; H: A/m; M: A/m B:G(Gauss); H:Oe; M: emu/cm3;（特斯拉）或Wb/m2B: 1T=104 G; H: 1103 A/m=4 Oe; M: 1103 A/m= emu/cm3;例1牌號為1J46的冷軋鐵鎳軟磁薄帶的飽和磁化強(qiáng)度為Ms = 11.9105 Am-1，則飽和磁極化強(qiáng)度Js 為_ T （特斯拉），沿薄膜法向的退磁場Hd為_ Am-1，最大矯頑力Hc = 20 A/m，相當(dāng)于Hc = _ Oe （奧斯特）。（注：0 = 410-7 Hm-1）。3.1磁矩和磁化強(qiáng)度3.1.1磁矩（1）定義: 磁矩是表示磁體本質(zhì)的一個(gè)物理量。任何一個(gè)封閉的電流都具有磁矩。其方向與環(huán)形電流法線的方向一致，其大小為電流與封閉環(huán)形的面積的乘積IS。（2）原子磁矩物質(zhì)是原子核和電子的集合體，要理解物質(zhì)的磁性起源，就要考慮原子具有的磁矩。現(xiàn)在我們可以從以下三方面來分析原子中的磁矩。 電子軌道運(yùn)動產(chǎn)生的磁矩: l = (l(l+1)1/2 B 電子自旋產(chǎn)生的磁矩: s = (S(S+1)1/2 B 原子核的磁矩: 原子核的磁矩原子核的磁矩3.2 物質(zhì)磁性的分類弱磁性: 1. 抗磁性；2. 順磁性；3. 反鐵磁性。強(qiáng)磁性: 1. 鐵磁體；2. 亞鐵磁體：與鐵磁體相似，但 值較小，如磁鐵礦（Fe3O4)。v 順磁性：定義: 當(dāng)材料被磁化后,磁化矢量與外加磁場的方向相同時(shí)，固體表現(xiàn)為順磁性。 順磁性物質(zhì)的磁化率一般很小，室溫下約為10-310-6 數(shù)量級。 原子內(nèi)部存在固有磁矩(離子有未填滿的電子殼層)。如過渡元素、稀土元素：3d-金屬Ti,V; 4d-金屬鈮Nb, 鋯Zr, 鉬Mo，鈀Pd；5d-金屬(Hf, Ta, W, 鉑Pt）。 自由電子的順磁性大于離子的抗磁性。如：堿金屬和堿土金屬離子雖然是填滿的殼層，但Li，Na, K，Mg， Al是順磁性金屬。 順磁性物質(zhì)的磁化率與溫度 的關(guān)系服從居里-外 斯定律：v 抗磁性：定義: 當(dāng)材料被磁化后,磁化矢量與外加磁場的方向相反時(shí)，固體表現(xiàn)為抗磁性。 抗磁性物質(zhì)的抗磁性一般很微弱，磁化率 是甚小的負(fù)常數(shù)(M與H反向)，一般約為10-6 數(shù)量級。 抗磁性是電子電子的循軌運(yùn)動在外加磁場作用下的結(jié)果.任何金屬都具有抗磁性. 金屬中有一半是抗磁金屬。Cu, Ag, Au, Hg, Zn, Bi等。(因抗磁性大于電子的順磁性)v 鐵磁性 有一類物質(zhì)如Fe,Co,Ni，室溫下磁化率可達(dá)10 10 6 數(shù)量級，這類物質(zhì)的磁性稱為鐵磁性 鐵磁性物質(zhì)即使在較弱的磁場內(nèi)，也可得到極高的磁化強(qiáng)度，而且當(dāng)外磁場移去后，仍可保留極強(qiáng)的磁性（有剩磁）。 鐵磁體的鐵磁性只在某一溫度以下才表現(xiàn)出來，超過這一溫度，鐵磁性消失。這一溫度稱為居里點(diǎn)其磁化率與溫度的關(guān)系服從居里一外斯定律 v 反鐵磁性反鐵磁自旋有序，首先是由舒爾和司馬特利用中子衍射實(shí)驗(yàn)在MnO上證實(shí)。MnO的晶體結(jié)構(gòu)是Mn離子形成面心立方晶格，O離子位于每個(gè)Mn-Mn對之間。從中子衍射線，超過奈耳點(diǎn)的室溫衍射圖與奈耳點(diǎn)以下80K溫度的衍射圖比較，看到低于奈耳點(diǎn)的衍射圖有額外的超點(diǎn)陣線，通過分析得到反鐵磁的磁結(jié)構(gòu)。v 亞鐵磁性體：相鄰原子磁體反平行，磁矩大小不同，產(chǎn)生與鐵磁性相類似的磁性。一般稱為鐵氧體的大部分鐵系氧化物即為此。3.3磁疇的形成和自發(fā)磁化3.3.1磁疇的形成鐵磁體在很弱的外加磁場作用下能顯示出強(qiáng)磁性，這是由于物質(zhì)內(nèi)部存在自發(fā)磁化的小區(qū)域，即磁疇。對于處于退磁化狀態(tài)的鐵磁體，它們在宏觀上并不顯示磁性，這說明物質(zhì)內(nèi)部各部分的自發(fā)磁化強(qiáng)度的取向式雜亂的。因而物質(zhì)的磁疇不會是單疇，而是由許多小磁疇組成的。磁疇形成的原因有“交換”作用和超交換作用。3.3.1.1“交換”作用 磁偶極子類似于一個(gè)小永久磁體，因此在其周圍形成磁場，這一磁場必然會對其它磁矩產(chǎn)生作用，使磁矩在特定方向取向，由于磁矩的相互作用，使其取向趨于一致。實(shí)際上這是由于電子的靜電相互作用造成的，也即“交換”作用。這一現(xiàn)象也可從電子的“共有化”運(yùn)動得到解釋。交換作用能: Eex = -AS1S2 = -Acos; A0時(shí)，自發(fā)平行排列； A 3，即一定的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。 Rab: 原子間距; r :未滿電子殼層半徑.3.3.1.3超交換作用在某些材料中過渡金屬離子不是直接接觸，直接接觸交換作用很小，只有通過中間負(fù)離子氧起作用。在尖晶石結(jié)構(gòu)中實(shí)際上存在A-A，B-B，A-B三種可能位置.因而存在三種交換作用。由于各種原因，這些化合物中只有其中的一種超交換作用占優(yōu)勢。3.4 金屬的鐵磁性3.4.1 磁各向異性材料的磁化有難易之分，對于晶體來說，不同的晶體學(xué)方向其磁化也有所不同，即存在易磁化的晶體學(xué)方向和難磁化的結(jié)晶學(xué)方向，分別稱為易磁化軸和難磁化軸。如體心立方結(jié)構(gòu)的Fe，其100的3個(gè)軸為易磁化軸，111的4個(gè)軸為難磁化軸。Fe的100、Ni的111、和Co的0001 為易磁化方向；而Fe的111、Ni的100、和Co的1010 為難磁化方向。立方晶系晶體磁晶各向異性能：室溫下：鐵K1= 4.2104 J/m3 ; Ni：K1= -0.34104 J/m3 ; 六角晶系晶體磁晶各向異性能： HCP Co： KU1=41104 J/m3 ; 四方結(jié)構(gòu)Nd2Fe14B: KU1=5106 J/m3 ;六角：SmCo5: KU1=1.55107 J/m3 ;3.4.2鐵磁體的形狀各向異性及退磁能退磁場：非閉合回路磁體磁化后，磁體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)與磁化方向相反的磁場。鐵磁體被磁化后產(chǎn)生的退磁場強(qiáng)度：Hd = -NM; 其中N為幾何退磁因子，M為磁化強(qiáng)度，負(fù)號表示退磁場與M反向。退磁能：當(dāng)鐵磁體呈開路態(tài)時(shí)，磁體越粗短(細(xì)長)，N值越大（越?。?，退磁能也越大（越小）。球體Nx=Ny=Nz=1/3; 沿Z方向的一維直線型磁體：Nx = Ny = 1/2，Nz=0; 在X-Y平面內(nèi)的二維磁性薄膜：Nx = Ny = 0，Nz=1。在S.I.單位制中，Nx + Ny+ Nz = 1.3.4.3磁致伸縮效應(yīng)使消磁狀態(tài)的鐵磁體磁化，一般情況下其尺寸、形狀會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為此致伸縮效應(yīng)。長度為L的棒沿軸向磁化時(shí)，若長度變化為DL，則磁致伸縮率l=DL/L，磁致伸縮率在強(qiáng)磁場的作用下達(dá)到飽和的值ls稱為磁致伸縮常數(shù)，作為鐵磁體的特性參數(shù)經(jīng)常使用。利用磁致伸縮可以使磁能（實(shí)際上是電能）轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，而利用糍致伸縮的逆效應(yīng)可以使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。磁彈性能：?為M與夾角。 討論：1. 如果s 0，則，當(dāng) =90 時(shí)，取最小值，此時(shí)M 磁性薄膜為垂直磁化； 2. 如果s 0, 0，則，當(dāng) = 0 時(shí)，取最小值，此時(shí)M/ 磁性薄膜為易面磁化；3.4.4磁疇結(jié)構(gòu)磁疇的形成是能量最低原理的結(jié)果退磁能(減小表面自由磁極) ；磁彈性能(減少磁疇尺寸) ；疇壁能(包括磁晶各向異性能，磁彈性能)疇壁數(shù)量減少。由于鐵磁體具有很強(qiáng)的內(nèi)部交換作用，鐵磁物質(zhì)的交換能為正值，而且較大，使得相鄰原子的磁矩平行取向，發(fā)生自發(fā)磁化，在物質(zhì)內(nèi)部形成許多小區(qū)域，即磁疇。這種自生的磁化強(qiáng)度叫自發(fā)磁化強(qiáng)度MS。因此自發(fā)磁化是鐵磁物質(zhì)的基本特征，也是鐵磁物質(zhì)和順磁物質(zhì)的區(qū)別所在。大量實(shí)驗(yàn)證明，為了保持自發(fā)磁化的穩(wěn)定性，必須使強(qiáng)磁體的能量達(dá)最低值，因而就分裂成無數(shù)微小的磁疇，形成磁疇結(jié)構(gòu)。每個(gè)磁疇的體積大約為10-9cm3，約有1015個(gè)原子。磁疇壁：相鄰磁疇的過渡區(qū)。磁疇壁具有交換能，磁晶能及磁彈性能。磁疇壁有吸引夾雜物或空隙的作用，因疇壁經(jīng)過夾雜物或空隙時(shí)系統(tǒng)的退磁能和疇壁能都較小。磁性材料中，夾雜物或空隙越多，壁移磁化就越困難，因而，磁化率也就越低。單疇顆粒：具有低的磁導(dǎo)率和高的矯頑力。3.5技術(shù)磁化磁滯回線: 鐵磁體在未經(jīng)磁化或退磁狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)部磁疇的磁化強(qiáng)度方向隨機(jī)取向，彼此相互抵消，總體磁化強(qiáng)度為零。如果將其放入外磁場H中，其磁化強(qiáng)度M隨外磁場H的變化是非線性的。技術(shù)磁化：在外磁場的作用下，鐵磁體從完全退磁狀態(tài)磁化到飽和的內(nèi)部變化過程。磁化階段：I。疇壁的可逆遷移階段；II。疇壁的不可逆遷移階段；III。磁疇的旋轉(zhuǎn)疇壁移動的阻力1。應(yīng)力理論: 2。雜質(zhì)理論: 可以用磁滯回線說明晶體磁學(xué)各向異性。在某一宏觀方向上（如水平方向、垂直方向）生長的單磁疇粒子，且其自發(fā)磁化強(qiáng)度被約束在該方向內(nèi)，當(dāng)在該方向上施加外加磁場，磁滯回線為直角型，而在與此垂直的方向上施加磁場，磁滯回線縮成線性。3.6 影響金屬鐵磁性的因素組織結(jié)構(gòu)不敏感參量：Ms, s, K, Tc等，它們與成分，鐵磁相的性質(zhì)及數(shù)量有關(guān)；組織結(jié)構(gòu)敏感參量：Hc， ， ， Br等，它們與技術(shù)磁化有關(guān)。一，溫度的影響: M-T曲線：Tc；二，應(yīng)力的影響: 應(yīng)力方向與磁致伸縮同號時(shí)應(yīng)力促進(jìn)磁化；反之則阻礙磁化。二， 形變，晶粒及雜質(zhì)的影響: 形變產(chǎn)生大量缺陷和很高的應(yīng)力，使磁導(dǎo)率下降，嬌頑力升高；再結(jié)晶退火可消除應(yīng)力和缺陷，使磁化容易，從而使磁導(dǎo)率顯著增高，嬌頑力下降；晶粒細(xì)化與加工硬化的效果相似。晶粒越細(xì)小,晶界(面缺陷)便越多,磁化的阻力也越大,越難磁化。雜質(zhì)：固溶雜質(zhì)使點(diǎn)陣扭曲，阻礙疇壁移動，使下降，Hc 上升。間隙固溶體時(shí)，雜質(zhì)影響較大，形成夾雜物和置換式固溶體時(shí)影響較小。但都使Ms降低。何謂磁導(dǎo)率？改善鐵磁材料的方法有哪些？ .磁導(dǎo)率：當(dāng)外磁場H增加時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B增加的速率叫磁導(dǎo)率，用表示， 即=B/H。提高鐵磁材料磁導(dǎo)率的方法途徑有：1）消除鐵磁材料中的雜質(zhì)；2）把晶粒培育到足夠大并呈等軸壯；3）冷加工造成再結(jié)晶織構(gòu)；4）磁場中退火造成磁織構(gòu)。四，合金成分和組織的影響（見課件）五, 鋼的鐵磁性：鐵素體(碳溶于-Fe中形成的間隙固溶體) ，珠光體，貝氏體，和馬氏體均具有強(qiáng)鐵磁性。Fe3C是弱鐵磁相。奧氏體呈順磁相。淬火態(tài)比退火態(tài)的Hc高，含C量高的Hc高(同是淬火態(tài)或退火態(tài))；細(xì)片。珠光體的Hc比粗片狀和粒狀的高。磁導(dǎo)率的變化與Hc相反。改錯(cuò)：1在鋼的組織中，奧氏體是鐵磁相。答：錯(cuò)；在鋼的組織中，奧氏體是鐵（順）磁相。2鋼在回火過程中，殘余奧氏體分解會引起飽和磁化強(qiáng)度Ms的降低。答：錯(cuò)；鋼在回火過程中，殘余奧氏體分解會引起飽和磁化強(qiáng)度Ms的降低（升高）。3.7 鐵磁性的測量 (詳細(xì)見課件)靜態(tài)磁性能的測量：直流磁場下的基本磁化曲線，磁滯回線，以及由此定義的磁參數(shù)：Ms, Br, Hc, , (BH)max等。動態(tài)磁性測量：測量軟磁材料在交變磁場中的性能，以及各種B，f 下的和磁損耗。1.閉路試樣的沖擊法2.開路試樣的沖擊法測量3.熱磁儀測量法(磁轉(zhuǎn)矩儀)4.拋脫法1。先將試樣磁化到飽和；2。逐漸增大反向電流退磁3。直至將試樣迅速抽出后，檢流計(jì)為零。4。HC = NI / L材料