铁磁性

自发磁化
组织结构不敏感参数
技术磁化
组织结构敏感参数
1、温度的影响 2、应力和变形的影响 3、晶粒细化的影响 4、杂质的影响 5、合金的成分和组织的影响
本征参量 非本征参量
退火产生的感生磁各向异性
A：纵向磁场冷却 B：冷却时无磁场 C：在垂直或圆磁场中冷却
轧制产生的感生磁各向异性
21.5%Fe-Ni合金磁化曲线
平行于轧制方向的磁化完全通过磁畴转动来实现，为线性 磁化曲线。
2、形状各向异性及退磁能
为何会有形状 各向异性？
沿长片状试样不同方向测得的磁化曲线
铁磁体的形状对磁性有重要影响 形状各向异性
磁体在磁场中具有的能量
静磁能
铁磁体与外磁场的相互作用能 铁磁体在自身退磁场中的能量
H
M
M
S
铁磁体
N
Hd M
H
退磁能
当铁磁体出现磁极后， 除在铁磁体周围空间产生磁 场外，在铁磁体的内部也产 生磁场Hd。这一磁场与铁磁 体的磁化强度方向相反，起 到退磁的作用，因此称为退 磁场。
退磁场的表达式为：
（CGS高斯单位制） 退磁因子
磁体总能量增加，自发 磁化一致取向不稳定。
磁畴形成过程图示
a）中，自发磁化单一取向，出现表面磁极，磁场能很大；
b）中，为降低表面退磁场能，自发磁化分成两个反平行的磁 畴，降低了表面退磁能；
c）中，分成4个反向平行的磁畴，退磁能进一步降低，总能量 减小。
影响磁畴结构的因素
磁畴结构：磁畴的形状、尺寸、畴壁的类型与厚度。
1、磁晶各向异性
➢ 在测量单晶铁磁性样品时发现 沿不同晶向的磁化曲线不同。 ➢ 其中有一个方向的磁化曲线最 高，即最容易磁化。
在单晶体的不同晶向上，磁 性能不同的性质，称为磁性的各 向异性。
铁单晶磁化曲线
铁磁体由磁中性磁化到饱和需要作一定的功：
M
W 0 0HdM
沿不同方向磁化所作的功不同，所 需的磁化能也不同，这种与磁化方 向有关的能量称为磁各向异性能
磁泡是在一些薄膜磁性材料中出现的一种圆柱形磁畴 。
无磁场作用
磁场作用
畴壁能 磁晶各向异性能 磁弹性能 退磁能
决定磁畴的形状、尺寸和取向 决定磁畴的形状、尺寸和取向
磁化强度的方向沿着晶体内的易磁
化轴，对于非织构的多晶体，各晶粒的
多 晶
取向是不同的，即具有不同的易磁化方
中 的
向，因此不同晶粒内部磁畴的取向是不
磁
同的，也即意味着畴壁一般是不能穿过
畴 分
晶界的。
布
当晶体内存在空泡、搀杂、内应力、晶粒边界以及合金 中的成分起伏等因素的作用时，磁畴结构变得非常复杂。
杂质、气泡等的影响
S
N
S
N
S
（a）畴壁在杂质中心
N
（b）畴壁在杂质附近
看出：畴壁在杂质中心时，退磁场能减小很多，同时畴壁面 积减小，畴壁能降低。因此畴壁位于杂质中心时为最稳定状 态，畴壁位移需要外磁场做功。
若颗粒足够小，整个颗粒可以在一个方向自发磁化到饱和， 成为一个磁畴 —— 这样的小颗粒称为单畴颗粒。
单畴颗粒内无畴壁，不 会有畴壁位移磁化过程，只 能有磁畴转动磁化过程。这 样的材料，其磁化与退磁均 不容易，具有较低的磁导率 与高Hc。
超顺磁性
➢ 磁泡畴
对于单轴各向异性材料的薄片或薄膜，如果加偏置磁场， 可以使小圆柱性磁畴（直径在1～100μ范围）处于稳定状态，这 种磁畴结构在显微镜下观察很像气泡，故称为磁泡。
a Ⅰ 可逆迁移区
H
➢ 旋转区：外磁场继续增加，整个晶体单畴的磁矩方向逐渐 旋转向外磁场方向，磁化曲线缓慢上升，最终至饱和。
磁化曲线给出的重要参数：
➢ BS和MS：所有偶极子都沿外场方 B 向排列时的磁感应强度和磁化强度。
➢ μ0：磁化曲线起始部分的斜率。 ➢ μm：磁化曲线拐点处的斜率。
c Ⅲ 旋转区
存在外磁场时
存在外应力时
稳定的磁结构要求：总能量最低
无外应力和外磁场时，交换 能、磁晶各向异性能和退磁 场能之和应取极小值。
为降低退磁场能量，磁体内部 分成许多大小和方向基本一致 的自发磁化区域，即磁畴。
若交换能和磁晶各向异性能 同时取最小值，自发磁化只 能分布在一个易磁化方向上。
磁体表面出现磁极，产生退磁 场。
磁畴假设
自发磁化是按区域分布的，各 个自发磁化区域称为磁畴。在无外 场时，磁畴都是自发磁化到饱和， 但磁化方向不同，宏观磁体总磁矩 为零。
2、自发磁化理论 铁磁性产生的原因
T﹤Tc，H＝0
T﹤Tc，H﹥0
根源：原子（正离子）中起主要作用使得原子磁矩有序地排 列。
必要条件：原子的电子壳层中存在没有被电子填满的状态。
－Hs
－Hc c
f
和磁矩转动，Hc称为矫顽力。
e
a Hs H
磁中性
反磁化过程
d
磁饱和
磁化过程
－Ms 磁滞回线示意图
磁滞损耗：铁磁体的状态经过一周的变化又回到初态，外界对 铁磁体做的正功（磁滞回线所包围的面积），是消耗在介质中 的能量，即不可逆地转化为其它形式的能量，如热能，这种损 耗叫磁滞损耗。
二、铁磁性材料特性
材料的磁学性能
第二节 铁磁性
一、铁磁性理论
铁磁性材料的磁化率、磁化强度均大于顺磁性物质，使铁 磁性材料具有十分有用的强磁性，对现代技术和工业有及其重 要的影响。
顺磁体
1、铁磁性分子场理论 分子场理论的两个重要假设：
铁磁体
分子场假设
铁磁性物质在一定温度范围内存在与外加磁场无关的 自发磁化，导致自发磁化的某种作用力假设为铁磁性物质 内存在着分子场。
线磁致伸缩系数 饱和磁致伸缩系数：λs
λs > 0 ：正磁致伸缩，如铁。 λs < 0 ：负磁致伸缩，如镍。
磁弹性能：如果物体在磁化时受到限制，不能伸长（或缩 短），则在物体内部产生压应力（或拉应力）。这样，物体内 部将产生弹性能，称为磁弹性能。
磁化方向和应力方向的夹角
材料所受的应力
三、影响金属及其合金铁磁性的因素
b
Ⅱ 不可逆迁移区
软磁材料重要技术参数
a Ⅰ 可逆迁移区
H
磁滞回线
磁滞回线：当外磁场H从＋Hs变到－Hs再变到＋Hs，试样磁化 曲线形成的封闭曲线。
M
剩磁Mr：当H减小到0时，M或B并不减小到
0，此时材料的M在外磁场方向的投影就是
所谓的剩磁。
Ms Mr b
矫顽力Hc：要使M ＝0（或B＝
0），则必须加上一反向磁场 Hc，以推动磁畴壁的反向迁移
磁各向异性可分为五类： • 磁晶各向异性
结晶磁体的磁化与晶轴有关的特性。
• 磁形状各向异性 沿不同方向的磁化与磁体积和形状有关的特性。
• 磁应力各向异性 磁化方向与应力方向有关的特性。
• 感生磁各向异性 在材料制备或处理过程中形成的一种磁各向异性。
• 交换磁各向异性 与磁矩的交换作用有关的磁各向异性。
磁化曲线
磁感应强度B与外加磁场强度H的关系曲线。
➢ 可逆迁移区：磁化起始阶段，磁 B 场作用较弱，磁畴壁发生微小的迁 移，若这时去较为 平坦，磁导率较低。
c Ⅲ 旋转区
b
Ⅱ 不可逆迁移区
➢ 不可逆迁移区：外磁场增加，磁 畴壁发生巴克豪森跳跃，这种迁移 不会因外磁场的去除而自动迁回原 位，磁化曲线呈非线性陡峭曲线， 磁导率很高。
对于理想的铁磁性晶体，磁畴结构通常排列整齐，且均匀 地分布在各个易磁化轴的方向上。 理想铁磁体磁畴结构有：开放型磁畴、闭流型磁畴以及表面树 枝状磁畴结构等。 两种特殊的磁畴结构：单畴和磁泡畴。
➢ 开放型磁畴
» 又称片状磁畴结构
»会在磁体表面形成自 由磁极，使磁体具有一 定的退磁场能量。
»由畴壁能和退磁场能 构成的总能量取极小值 决定了磁体稳定状态下 的磁畴结构。
➢ 闭流型磁畴
♣ 主畴和闭合畴形成闭 合磁路，使其上、下表 明退磁场能为零。
♣ 畴壁与其两侧畴内的 自发磁化强度MS应成45 角度，以保证畴壁面上 无退磁场
➢ 表面树枝状磁畴
表面与磁畴中的自发磁化方向不平行，为了降低退 磁场能，产生树枝状磁畴结构。
➢ 单畴
若材料的尺寸变得很小，成为多畴时的畴壁能比单畴的 退磁场能还要高，这时材料将不再分畴，形成单畴结构，具 有更低的能量。
第二个条件：原子之间相互键合的作用是否对形成铁磁性有 利。
处于不同原子间的、未被填满壳层上的电子发生特殊的相 互作用。这种相互作用称为“交换”作用
这是因为在晶体内，参与这种相互作用的电子已不再局 限于原来的原子，而是“公有化”了。原子间好像在交换电 子，故称为“交换”作用。
而由这种“交换”作用所产生的“交换能”ECX 与晶格的 原子间距有密切关系。当距离很大时， ECX接近于零。随着距 离的减小，相互作用有所增加， ECX为正值，就呈现出铁磁性。 当原子间距R与未被填满的电子壳层直径r之比大于3时，交换 能为正值，反之，交换能为负值，为反铁磁性。
磁畴壁：相邻磁畴的界限。
畴壁是相邻两磁畴之间磁 矩按一定规律逐渐改变方向的 过渡层。
畴壁类型 ➢ 按畴壁两侧磁矩方向的差别分：90度畴壁、180度畴壁
180 °
90°
90°
两相邻畴的磁化方向相反 两相邻畴的磁化方向垂直
两个相邻磁畴的方向可能相差109°或71°等，这样的畴壁也称 90°畴壁。
➢ 按畴壁中磁矩转向的方式：布洛赫壁，奈尔壁
在过渡层中，相邻磁矩不平行，导致交换能增加；又离开易 磁化轴，导致磁晶各向异性能增加。
畴壁中包括的原子层数越多， 畴壁中包括的原子层数越多，
在畴壁中引起的交换能增加 畴壁中的磁晶各向异性能就越