《材料物理性能》王振廷版課后答案頁

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1、1、試說明下列磁學(xué)參量的定義和概念：磁化強(qiáng)度、矯頑力、飽和磁化強(qiáng)度、磁導(dǎo)率、磁化率、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁各向異性常數(shù)、飽和磁致伸縮系數(shù)。 a、磁化強(qiáng)度：一個(gè)物體在外磁場(chǎng)中被磁化的程度，用單位體積內(nèi)磁矩的多少來衡量，成為磁化強(qiáng)度M b、矯頑力Hc：一個(gè)試樣磁化至飽和，如果要μ=0或B=0，則必須加上一個(gè)反向磁場(chǎng)Hc，成為矯頑力。 c、飽和磁化強(qiáng)度：磁化曲線中隨著磁化場(chǎng)的增加，磁化強(qiáng)度M或磁感強(qiáng)度B開始增加較緩慢，然后迅速增加，再轉(zhuǎn)而緩慢地增加，最后磁化至飽和。Ms成為飽和磁化強(qiáng)度，Bs成為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。 d、磁導(dǎo)率：μ=B/H，表征磁性介質(zhì)的物理量，μ稱為磁導(dǎo)率。 e、磁化率：從宏觀上

2、來看，物體在磁場(chǎng)中被磁化的程度與磁化場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)。 M=χ·H，χ稱為單位體積磁化率。 f、剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度：將一個(gè)試樣磁化至飽和，然后慢慢地減少H，則M也將減少，但M并不按照磁化曲線反方向進(jìn)行，而是按另一條曲線改變，當(dāng)H減少到零時(shí)，M=Mr或Br=4πMr。（Mr、Br分別為剩余磁化強(qiáng)度和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度） g、磁滯消耗：磁滯回線所包圍的面積表征磁化一周時(shí)所消耗的功，稱為磁滯損耗Q（ J/m3） h、磁晶各向異性常數(shù)：磁化強(qiáng)度矢量沿不同晶軸方向的能量差代表磁晶各向異性能，用Ek表示。磁晶各向異性能是磁化矢量方向的函數(shù)。 i、飽和磁致伸縮系數(shù)：隨著外磁場(chǎng)的增強(qiáng)，致磁體的磁化強(qiáng)度增強(qiáng)，

3、這時(shí)|λ|也隨之增大。當(dāng)H=Hs時(shí)，磁化強(qiáng)度M達(dá)到飽和值，此時(shí)λ=λs，稱為飽和磁致伸縮所致。 2、計(jì)算Gd3+和Cr3+的自由離子磁矩？Gd3+的離子磁矩比Cr3+離子磁矩高的原因是什么？ Gd3+有7個(gè)未成對(duì)電子, Cr3+ 3個(gè)未成對(duì)電子. 所以, Gd3+的離子磁矩為7μB, Cr3+的離子磁矩為3μB. 3、過渡族金屬晶體中的原子（或離子）磁矩比它們各自的自由離子磁矩低的原因是什么？ 4、試?yán)L圖說明抗磁性、順磁性、鐵磁性物質(zhì)在外場(chǎng)B=0的磁行為。 5、?分析物質(zhì)的抗磁性、順磁性、反鐵磁性及亞鐵磁性與溫度之間的關(guān)系？? 答：(1)?抗磁性是由外磁場(chǎng)作用下電子循軌

4、運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的附加磁矩所造成的，與溫度無關(guān)，或隨溫度變化很小。? (2)?根據(jù)順磁磁化率與溫度的關(guān)系，可以把順磁體分為三類，一是正常順磁體，其原子磁化率與溫度成反比；二是磁化率與溫度無關(guān)的順磁體；三是存在反鐵磁體轉(zhuǎn)變的順磁體，當(dāng)溫度高于一定的轉(zhuǎn)變溫度TN時(shí)，它們和正常順磁體一樣服從局里-外斯定律，當(dāng)溫度低于TN時(shí)，它們的原子磁化率隨著溫度下降而減小，當(dāng)T→0K時(shí)，磁化率趨于常數(shù)。? (3)?反鐵磁性物質(zhì)的原子磁化率在溫度很高時(shí)很小，隨著溫度逐漸降低，磁化率逐漸增大，溫度降至某一溫度TN時(shí)，磁化率升至最大值；再降低溫度，磁化率又減小。? (4?)?亞鐵磁性物質(zhì)的原子磁化率隨溫度的升高而逐漸降低

5、。? 6、什么是自發(fā)磁化？鐵磁體形成的條件是什么？有人說“鐵磁性金屬?zèng)]有抗磁性”，對(duì)嗎？為什么？ a、組成鐵磁性材料的原子或離子有未滿殼層的電子，因此有固有原子磁矩。在鐵磁性材料中，相鄰離子或原子的未滿殼層的電子之間有強(qiáng)烈的交換耦合作用，在低于居里溫度并且沒有外加磁場(chǎng)的情況下，這種作用會(huì)使相鄰原子或離子的磁矩在一定區(qū)域內(nèi)趨于平行或者反平行排列，處于自行磁化的狀態(tài)，稱為自發(fā)磁化。 b、鐵磁性材料具有一個(gè)磁性轉(zhuǎn)變溫度:居里溫度Tc。一般自發(fā)磁化隨環(huán)境溫度的升高而逐漸減小，超過居里溫度Tc后全部消失，此時(shí)材料表現(xiàn)出順磁性，材料內(nèi)部的原子磁矩變?yōu)榛靵y排列。只有當(dāng)T＜Tc時(shí)，組成鐵磁性材料的原子磁

6、矩在磁疇內(nèi)才平行或反平行排列，材料中有自發(fā)磁化。 材料內(nèi)部相鄰原子的電子之間存在一種來源于靜電的相互交換作用，由于這種交換作用對(duì)系統(tǒng)能量的影響，迫使各 原子的磁矩平行或反平行排列，形成自發(fā)磁化。 c、材料的磁性來源于電子的軌道運(yùn)動(dòng)和電子的自旋運(yùn)動(dòng)。所有的材料處于磁場(chǎng)中時(shí)，外磁場(chǎng)都會(huì)對(duì)電子軌道運(yùn)動(dòng)回路附加有洛倫茲力，使材料產(chǎn)生一種抗磁性，其磁化強(qiáng)度和磁場(chǎng)方向相反。 抗磁性是電子軌道運(yùn)動(dòng)感生的，因此所有物質(zhì)有抗磁性。但并非所有物質(zhì)都是抗磁體，這是因?yàn)樵油€存在著軌道磁矩和自旋磁矩所組成的順磁磁矩。原子系統(tǒng)具有總磁矩時(shí)，只有那些抗磁性大于順磁性的物質(zhì)才成為抗磁體。 7、?分子場(chǎng)的本質(zhì)是

7、什么？在鐵磁體中起什么作用？? 答：分子場(chǎng)的本質(zhì)：分子場(chǎng)的性質(zhì)不是磁場(chǎng)，量子力學(xué)告訴我們，分子場(chǎng)來源于相鄰原子中電子間的交換作用，它導(dǎo)致了磁有序。從本質(zhì)上講，這是屬于靜電作用。? 在鐵磁體中的作用：鐵磁物質(zhì)內(nèi)部存在很強(qiáng)的“分子場(chǎng)”，它使原子磁矩同向平行排列，即自發(fā)磁化到飽和；鐵磁體的自發(fā)磁化分成若干磁疇，由于磁體中各磁疇的磁化方向不一致，所以大塊磁體對(duì)外不顯示磁性。 8、試用磁疇模型解釋軟磁材料的技術(shù)磁化過程。 9、磁疇大小和結(jié)構(gòu)有哪些條件決定。 10、哪些磁性能是組織敏感的？舉例說明成分、熱處理、冷變形、晶粒取向等因素對(duì)磁性的影響？ 從金屬內(nèi)部的因素考查，可把鐵磁

8、參量分為兩類，即組織敏感性參量和組織不敏感參量。組織和結(jié)構(gòu)不敏感參量不受組織和結(jié)構(gòu)的影響或影響很小，屬于這類參量的有Ms(飽和磁化強(qiáng)度)，λs(飽和磁致伸縮系數(shù))，K(磁晶各向異性參數(shù)）和Tc（居里溫度）等，它們與合金的成分和鐵磁相性質(zhì)及數(shù)量有關(guān)。組織和結(jié)構(gòu)敏感參量強(qiáng)烈地受組織、結(jié)構(gòu)因素以及應(yīng)力狀態(tài)的影響，屬于這類參量的有Hc(矯頑力)，μ(磁導(dǎo)率)，χ(磁化率)和Br(剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度)等，它們均與技術(shù)磁化有關(guān)。 11、什么叫磁彈性能？他受哪些因素影響？ 物體在磁化時(shí)伸長或收縮受到限制，則在物體內(nèi)部形成應(yīng)力，從而內(nèi)部將產(chǎn)生彈性能，即磁彈性能。 物體內(nèi)部的缺陷、雜質(zhì)等都可以增加其磁彈性

9、能。 對(duì)于多晶體而言，若磁彈性能是由于應(yīng)力的存在而引起的，那么磁化方向和應(yīng)力方向的夾角、材料所受的應(yīng)力、飽和磁致伸縮系數(shù)和單位體積中的磁彈性能都會(huì)影響該磁彈性能。 12、技術(shù)磁化過程可分為那幾個(gè)階段，各個(gè)技術(shù)磁化階段的特點(diǎn)是什么？什么叫單疇體？單晶體一定是單疇體嗎？ 第一部分 OA 是可逆磁化過程 可逆是指磁場(chǎng)減少到零時(shí) M沿原曲線減少到零 在可逆磁化階段 磁化曲線是線性的 沒有剩磁和磁滯。在金屬軟磁材料中 此階段以可逆壁移為主。 第二部分 AB 是不可逆磁化階段 此階段內(nèi) M隨磁化場(chǎng)急劇地增加 M與H曲線不再是線性。此階段中若把磁場(chǎng)減少到零 M不再沿原曲線減少到零 而出現(xiàn)剩磁 這種

10、現(xiàn)象成為磁滯 巴克豪森指出 這一階段由許多M的跳躍性變化組成 是疇壁的不可逆跳躍引起的。 第三部分 BC 是磁化矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)過程 第二階段結(jié)束后 疇壁消失 整個(gè)鐵磁體成為一個(gè)單疇體 但其內(nèi)部磁化強(qiáng)度方向還與外磁場(chǎng)方向不一致。在這一階段內(nèi)隨磁化場(chǎng)進(jìn)一步增大 磁矩逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)到與外磁場(chǎng)一致的方向 當(dāng)磁化到S點(diǎn)時(shí) 磁體已磁化到技術(shù)飽和 這時(shí)的磁化強(qiáng)度稱飽和磁化強(qiáng)度Ms。 第四部分自C點(diǎn)以后 M-H曲線已近似于水平線 而M-H曲線大體上成為直線 自C點(diǎn)繼續(xù)增大外磁 Ms還稍有增加 這一過程稱為順磁磁化過程。 （注：書上為三個(gè)過程，但相對(duì)而言，我認(rèn)為這個(gè)答案更為合理和完整。若有疑慮，可省去第四部分）

11、說法一、具有強(qiáng)磁化強(qiáng)度的顆粒(如磁鐵礦)其自發(fā)能隨著體積增大能夠迅速增大。在某些非常小的顆粒中，這些電子自旋最終定向排列。這種顆粒被均勻磁化，并被稱為單疇(single domain, SD)。 說法二、多疇的大塊材料在很強(qiáng)的外磁場(chǎng)的作用下，被磁化至飽和狀態(tài)，整塊材料內(nèi)的自發(fā)磁化強(qiáng)度基本上取在一個(gè)磁化方向上，形成一個(gè)單疇。 單晶體不一定是單疇體 假如單晶半徑為R，單疇體的臨界尺寸為r，如果R>r,則不是單疇結(jié)構(gòu)；如果R

12、特點(diǎn)是什么？? 答：第一部分（OA）是可逆磁化過程：可逆是指磁場(chǎng)減少到零時(shí)，M沿原曲線減少到零，在可逆磁化階段，磁化曲線是線性的，沒有剩磁和磁滯。在金屬軟磁材料中，此階段以可逆壁移為主。? 第二部分（AB）是不可逆磁化階段：此階段內(nèi)，M隨磁化場(chǎng)急劇地增加，M與H曲線不再是線性。此階段中，若把磁場(chǎng)減少到零，M不再沿原曲線減少到零，而出現(xiàn)剩磁，這種現(xiàn)象成為磁滯，巴克豪森指出，這一階段由許多M的跳躍性變化組成，是疇壁的不可逆跳躍引起的。? 第三部分（BC）是磁化矢量的轉(zhuǎn)動(dòng)過程：第二階段結(jié)束后，疇壁消失，整個(gè)鐵磁體成為一個(gè)單疇體，但其內(nèi)部磁化強(qiáng)度方向還與外磁場(chǎng)方向不一致。在這一階段內(nèi)隨磁化場(chǎng)進(jìn)一

13、步增大，磁矩逐漸轉(zhuǎn)動(dòng)到與外磁場(chǎng)一致的方向，當(dāng)磁化到S點(diǎn)時(shí)，磁體已磁化到技術(shù)飽和，這時(shí)的磁化強(qiáng)度稱飽和磁化強(qiáng)度Ms。? 第四部分自C點(diǎn)以后，M-H曲線已近似于水平線，而M-H曲線大體上成為直線，自C點(diǎn)繼續(xù)增大外磁，Ms還稍有增加，這一過程稱為順磁磁化過程。? 13、飽和磁化強(qiáng)度Ms：磁性體被磁化到飽和狀態(tài)時(shí)的磁化強(qiáng)度。 飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs：磁性體被磁化到飽和狀態(tài)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。 ?14、何為起始磁導(dǎo)率？何種場(chǎng)合需要高起始磁導(dǎo)率？受哪些因素影響？ 起始磁導(dǎo)率 場(chǎng)合：研究非晶態(tài)鐵磁合金的磁性穩(wěn)定性、鐵芯也需要高起始磁導(dǎo)率。 因素影響 15、什么叫做最大磁導(dǎo)率？舉例

14、說明提高軟磁材料最大磁導(dǎo)率的途徑？ 最大磁導(dǎo)率μm? 圖中m曲線表示了μr值是隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的曲線。在某一磁場(chǎng)強(qiáng)度下，相對(duì)磁導(dǎo)率達(dá)到最大值，稱為最大磁導(dǎo)率μm。 ?16、什么叫剩余磁化強(qiáng)度，什么叫剩余磁感強(qiáng)度？他們間存在什么樣的關(guān)系？提高剩磁途徑？ 永磁材料在閉路狀態(tài)下經(jīng)外磁場(chǎng)磁化至飽和后，再撤消外磁場(chǎng)時(shí)，永磁材料的磁極化強(qiáng)度J和內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不會(huì)因外磁場(chǎng)H的消失而消失，而會(huì)保持一定大小的值，該值即稱為該材料的剩余磁極化強(qiáng)度Jr和剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br，統(tǒng)稱剩磁。? 剩磁Jr和Br的單位與磁極化強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度單位相同。 提高剩磁的方法? 永磁材料

15、的磁極化強(qiáng)度Js是很重要的磁參量,它是該材料剩磁 Br的極限值,也是決定該材料磁能積極限值或理論值(BH)m=Js2/4的磁學(xué)量。 為提高殘留磁化強(qiáng)度，要選用飽和磁化強(qiáng)度高的物質(zhì)，同時(shí)要通過制造工藝等保證方形度接近1。實(shí)際的工藝過程中，可采用下述技術(shù)實(shí)現(xiàn)單軸磁各向異性。這些技術(shù)包括：? ①使鑄造組織柱狀晶化；②通過冷加工形成加工纖維組織；? ③通過磁場(chǎng)中加工誘導(dǎo)磁各向異性；④通過磁場(chǎng)中熱處理誘導(dǎo)磁谷向異性。 17、什么叫矯頑力？提高材料的矯頑力的途徑有哪些？ 使磁化至技術(shù)飽和的永磁體的B（磁感應(yīng)強(qiáng)度）降低至零所需要的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度稱為磁感矯頑力。 提高材料的矯頑力的途徑：1)、使合金

16、從有序結(jié)構(gòu)向無序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，2)、范性形變使晶體中產(chǎn)生大量的缺陷和內(nèi)應(yīng)力，矯頑力隨形變量增大而增大，3)、加工硬化，4)、晶粒細(xì)化 18、什么叫最大磁能積？為什么最大磁能積越大越好？提高最大磁能積的途徑？ 退磁曲線上任何一點(diǎn)的B和H的乘積既BH我們稱為磁能積,而B×H的最大值稱之為最大磁能積(BH)max。 磁能積是恒量磁體所儲(chǔ)存能量大小的重要參數(shù)之一，(BH)max越大說明磁體蘊(yùn)含的磁能量越大，表示此時(shí)磁體對(duì)外做功的能力最大。 為使(BH)m盡可能大，需要幾個(gè)條件。首先，Br要高；其次，因反磁場(chǎng)造成的Br減少并且應(yīng)盡量小，也就是說，方形度要盡量大；最后，具有較大的矯頑力。 20、一個(gè)

17、合金中肯定有兩種鐵磁性相，用什么方法證明。 22、 23、自發(fā)磁化的物理本質(zhì)是什么？材料具有鐵磁性的充要條件是什么？ 鐵磁體自發(fā)磁化的本質(zhì)是電子間的靜電交換相互作用 材料具有鐵磁性的充要條件為: 1）必要條件:材料原子中具有未充滿的電子殼層,即原子磁矩 2）充分條件:交換積分A > 0 24、論述各類磁性χ-T的相互關(guān)系 1) 抗磁性. 與溫度無關(guān), <0 2) 順磁性: ,Tc為臨界溫度,成為順磁居里溫度,T>Tc時(shí)顯順磁性 3) 反鐵磁性:當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)臨界值TN以上,服從居里-外斯定律 4) 鐵磁性: χf>0, T< Tc,否則將轉(zhuǎn)變?yōu)轫?/p>

18、磁性,并服從居里-外斯定律 5) 亞鐵磁性: 是未抵消的反鐵磁性結(jié)構(gòu)的鐵磁性 25、比較鐵磁體中五種能量的下列關(guān)系: （1）數(shù)學(xué)表達(dá)式； （2）來源和物理意義 （3）對(duì)磁矩取向的作用。 答:鐵磁材料的五種相互作用能分別為: 交換能Fex,磁晶各向異性能Fx,磁彈性能Fσ,退磁場(chǎng)能Fd和外磁場(chǎng)能FH 相鄰原子電子自旋的單位體積內(nèi)的交換能 A>0時(shí),電子自旋不平行,則會(huì)引起系統(tǒng)交換能的增加, Fex>0,只有當(dāng)不考慮自旋軌道耦合時(shí),交換能Fex是各向同性的. 磁晶各向異性能Fx,是飽和磁化強(qiáng)度矢量在鐵磁材料中取不同方向時(shí)隨時(shí)間而改變的能量,僅與磁化強(qiáng)度矢量在晶

19、體中的相對(duì)晶軸的取向有關(guān) 磁晶各向異性來源于電子自旋與軌道的相互耦合作用以及晶體電場(chǎng)效應(yīng).這種原子或離子的自旋與軌道的耦合作用,會(huì)導(dǎo)致鐵磁體的長度和體積的大小發(fā)生變化,出現(xiàn)所謂的磁致伸縮 鐵磁體在受到應(yīng)力作用時(shí)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的應(yīng)變,從而引起磁彈性能Fσ,包括由于自發(fā)形變而引起的磁應(yīng)力能,包括外加應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力 鐵磁體在外磁場(chǎng)中具有位能成為外磁場(chǎng)能FH,外磁場(chǎng)能是鐵磁體磁化的動(dòng)力 有限尺寸的鐵磁體材料,受到外加磁場(chǎng)H的變化,會(huì)在兩端面上分別出現(xiàn)正負(fù)磁荷,從而產(chǎn)生減弱外磁場(chǎng)的磁場(chǎng)Hd,均勻磁化材料的退磁場(chǎng)能Fd為: 26、用能量的觀點(diǎn)說明鐵磁體內(nèi)形成磁疇的原因。 根據(jù)熱力學(xué)定律,穩(wěn)定的磁狀態(tài)一定是對(duì)應(yīng)于鐵磁材料內(nèi)總自由能極小值的狀態(tài).磁疇的形成和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài),也是對(duì)應(yīng)于滿足總的自由能為極小值的條件.對(duì)于鐵材料來說，分成磁疇后比分成磁疇前能量縮小,故鐵磁材料自發(fā)磁化后必然分成小區(qū)域的磁疇,使總自由能為最低,從而滿足能量最低原理.可見,退磁場(chǎng)能是形成磁疇的原因。