第7章金属的磁性能

1/9第7章金属的磁性能金属及合金的磁性是很重要的一种物理性能，在现代科学技术中应用得非常广泛。磁化率、磁导率以及矫顽力等参量对组织、结构很敏感，而饱和磁化强度和居里点等则只与合金相的数量和成分有关。因此，可根据磁化率和矫顽力的变化分析组织的变化规律，而根据饱和磁化强度和居里点对合金进行相分析，研究组织转变的动力学。7-1磁性的基本概念金属的抗磁性与顺磁性一、磁性的基本概念在真空中造成一个磁场，然后在磁场中放入一种物质，人们便会发现，不管是什么物质，都会使其所在空间的磁场发生变化。不同的物质所引起的磁场变化不同。物质在磁场中，由于受磁场的作用都呈现出一定的磁性，这种现象称为磁化。根据物质被磁化后对磁场所产生的影响，可以把物质分为三类：使磁场减弱的物质称为抗磁性物质；使磁场略有增强的物质称为顺磁性物质；使磁场强烈增加的物质称为铁磁性物质。任何物质都是由原子组成的，而原子则是由原子核和电子所构成。近代物理证明，每个电子都在作着循轨和自旋运动，物质的磁性就是由于电子的这些运动而产生的。电子是有磁矩的，电子的磁矩是轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和。电子的循轨运动可以看作是一个闭合的环形电流，由此所产生的磁矩称为轨道磁矩μi：式中l为轨道角量子数，可取0，1，2，3……（n-1），它分别代表s,p,d,f层的电子态；μB为玻尔磁子，是磁矩的最小单元，它等于式中e和m分别为电子的电荷和质量；h为普朗克常数。μB的单位为J/T。电子绕自身的轴旋转，产生一个自旋磁矩，其方向平行于自旋轴，其大小为:式中S为自旋量子数，其值为+1/2。2/9原子核也有磁矩，不过它的磁矩很小，约为电子磁矩的1/2000，故通常的情况可不予考虑。理论证明:当原子中的一个次电子层被排满时，这个电子层的磁矩总和为零，它对原子磁矩没有贡献。若原子中的电子层均被排满，则原子没有磁矩。只有原子中存在着未被排满的电子层时，由于未被排满的电子层电子磁矩之和不为零，原子才具有磁矩。这种磁矩称为原子的固有磁矩。二、磁性的基本量一个物体磁化的程度可用所有原子固有磁矩m矢量的总和∑m来表示，单位为A·m2；单位体积的磁矩称为磁化强度，用M表示，其单位为A·m-1。它等于当一个物体在外加磁场中被磁化时，它所产生的磁化强度相当于一个附加的磁场强度，从而导致它所在空间的磁场发生变化。这时，物体所在空间的总磁场强度是外加磁场强度H和附加磁场强度M之和，H的单位也是A·m-1。通过磁场中某点，垂直于磁场方向单位面积的磁力线数称为磁感应强度，用B表示，其单位为T（特斯拉），它与磁场的关系是式中μ0为真空磁导率，它等于4π×10-7H·m-1。物质的磁化总是在外加磁场的作用下产生的，因此，磁化强度与外加磁场强度和物质本身的磁化特性有关，即M=χH式中H为外加磁场强度；系数χ称为磁化率，无量纲。它表征物质本身的磁化特性。式中系数1+χ称为相对磁导率，用μr表示。它与材料的本性有关，无量纲。磁导率用μ表示B=µH或µ=B/H三金属的抗磁性与顺磁性3/9金属被磁化后，磁化矢量与外加磁场的方向相反称为抗磁性，抗磁性的特点是(磁化率)χ0。金属被磁化后，磁化矢量与外加磁场的方向相同称为顺磁性，即(磁化率)χ0。通常，把实际测量所得到的磁感应强度或磁化强度与外加磁场强度的关系曲线称为磁化曲线。它集中反映了金属的磁性特征。抗磁与顺磁金属的磁化曲线比较简单，见图7-1。曲线表明，它们的磁化强度与磁场强度之间均呈直线关系，磁化率是很小的常数，但磁化的方向相反。它们还有一个共同特点即磁化是可逆的，当去除外磁场之后仍恢复到未磁化前的状态。1抗磁性金属的抗磁性来源于电子的循轨运动受外加磁场作用所产生的抗磁矩。无论是电子顺时针运动，还是逆时针运动所产生的附加磁矩△M都与外加磁场的方向相反，故称为抗磁矩。一个原子的抗磁矩为4/9式中ri为电子运动的轨道半径在垂直于磁场方向平面上的投影。既然，抗磁性是电子的循轨运动受外加磁场作用的结果，因此可以说，任何金属在磁场作用下都要产生抗磁性。抗磁金属的磁化率很小，约为10-5～10-6数量级，并且与磁场强弱和温度无关。2顺磁性金属的顺磁性主要来源于原子（离子）的固有磁矩。在没有外加磁场时，原子的固有磁据呈无序状态分布，在宏观上并不呈现出磁性，见图7-3a。若施加一定的外磁场时，由于磁矩与磁场相互作用，磁矩具有较高的静磁能。所谓静磁能是指原子磁矩与外加磁场的相互作用能，用EH表示，其大小等于EH=-μ0μatHcosθ图7-3金属磁矩示意图为了降低静磁能，磁矩改变与磁场之间的夹角，于是便产生了磁化。随着磁场的增强，磁矩的矢量和在磁场方向上的投影不断地增大，磁化不断地增强。在常温下，要使原子磁矩转向磁场方向，除了要克服磁矩间相互作用所产生的无序倾向之外，还必须克服由原子热运动所造成的严重干扰，故通常顺磁磁化进行得十分困难。室温下的磁化率约为10-6数量级。如将温度降低到0K，磁化率便可5/9提高到10-4数量级。对于顺磁金属只有当温度接近0K或外加磁场极强时才有可能达到磁饱和，即所有的原子磁矩都排向磁场方向。上述现象说明，温度对顺磁磁化的影响是十分显著的。对于固态金属，特别是过渡族金属，在一定的温度范围内，它们的磁化率和温度的关系服从居里-外斯定律,即式中C为居里常数，它和原子磁矩有关；△对某种材料来说是常数，对不同材料可大于零或小于零。对于铁磁金属△为正值，它等于居里点或居里温度。所谓居里点即由铁磁转变为顺磁的临界温度。3抗磁金属与顺磁金属在磁场的作用下电子的循轨运动要产生抗磁矩离子的固有磁矩则产生顺磁矩；此外，还要看到，自由电子在磁场的作用下也产生抗磁矩和顺磁矩，不过它所产生的抗磁矩远小于顺磁矩，故自由电子的主要贡献是顺磁性。金属均由离子和自由电子所构成，因此对于一种金属来说，其内部既存在着产生抗磁性的因素，又存在着产生顺磁性的因素，属于哪种金属，取决于哪种因素占主导地位。金属的离子，由于核外电子层结构不同，可以分为两种情况：一是它的电子壳层已全部被填满，即固有磁矩为零。在外加磁场的作用下由核外电子的循轨运动产生抗磁矩，抗磁矩的强弱取决于核外电子的数量。如果离子部分总的抗磁矩大于自由电子的顺磁矩，则金属为抗磁金属。属于这种情况的抗磁金属有铜、金和银等。锑、铋和铅等金属也属于这种情况，所不同的是它们的自由电子向共价键过渡，因而呈现出异常大的抗磁性。还有些金属，如碱金属和碱土金属，它们的离子也是填满的电子结构，但它们的自由电子所产生的顺磁性大于离子部分的抗磁性。因此它们是顺磁性金属，如铝、镁、锂、钠和钾等。二是离子有未被填满的电子层，即离子具有较强的固有磁矩。在外磁场的作用下，这些固有磁矩所产生的顺磁矩远大于核外电子循轨运动所产生的抗磁矩。具有这种离子的金属都有较强的顺磁性，它们属于强顺磁性金属。如3d-金属中的钛和钒等；4d-金属中的铌、锆和钼等；5d-金属中的铪、钽、钨和铂等。4影响抗磁性与顺磁性的因素1)同素异构转变与加工硬化的影响6/9同素异构转变对磁性有很显著的影响。例如，具有正方点阵结构的白锡转变为具有金刚石结构的灰锡，即由顺磁转变为抗磁。转变后锡在很大程度上已经失去金属固有的特性，这与转变后原子间距增大，结合电子增加而自由电子的数量变少有关。铁在居里点以上呈顺磁状态。当温度达到910℃和1401℃时，铁要分别发生α→γ和γ→δ的同素异构转变。在此温度下铁的磁化率将发生跃变加工硬化对金属的抗磁性影响也很明显。加工硬化使金属的原子间距增大而密度减小，从而使铜和锌的抗磁性变弱。当高度加工硬化时，铜可以由抗磁金属变为顺磁。退火与加工硬化的作用相反，能使铜的抗磁性重新得到恢复。2)合金成份与组织的影响弱顺磁性金属Cu,Ag,Al,Mg等，所组成的固溶体合金由于溶入溶质原子以后，使原子间的结合发生了变化，它们的磁化率随着成分的变化，按近似于直线的平滑曲线而变化。若强顺磁性过渡族金属溶于Cu、Ag或Au中，合金磁化率的变化比较复杂。如Cu-Pd和Ag-Pd两种合金，当含ωpd低于30％时，由于钯的d层被传导电子7/9填满，离子的固有磁矩变为零。因此随着钯含量的增多，导致合金的抗磁磁化率增大，如图7-5所示。在浓度很低的情况下，它们便可使合金变为顺磁性，并使顺磁磁化率显著地增大，特别是锰的固溶体合金，其顺磁磁化率比纯锰的还高。形成多相合金时，磁化率与合金成分之间呈直线关系。形成中间相时，由于生成了化学键和共价键，从而影响了自由电子的顺磁性，于是简单金属正离子的抗磁性便充分地显示出来，使合金的抗磁性增强，并在磁化率和成分的关系曲线上出现极值。例如，Cu-Zn合金中出现电子化合物γ相Cu31Zn8时，合金的抗磁磁化率达到最大值。从图7-6中曲线可以看到，由于液态合金仍保留着部分化学键的作用，所以对应于γ相成分的合金液态时的抗磁磁化率也比较大。6抗磁与顺磁磁化率的测量抗磁与顺磁磁化率的测量通常采用磁秤法；磁秤的结构如图7-7；顺磁，则F向下，抗磁则向上。测量未知磁化率:可以用已知χ值的金属对仪器进行相对标定来确定磁导率。例如，金属的磁化率χ1为已知，测量时达到平衡状态线圈所需通过的电流为i1，待测金属的磁化率为χ2，测量时达到平衡态的电流为i2，则8/9磁秤测量法的优点：优点是：测量简便，但不够准确。磁秤的用途很广，可用于测量抗磁和顺磁的磁化率，也可以用于测量铁磁性。如配备加热和冷却装置，还可用于研究金属的组织转变和进行相分析，是磁性分析的有力工具。近年来，由于电子技术的发展自动磁秤用得愈来愈多，它能提高测量的稳定性和精确度。图7-7磁秤结构示意图a）磁秤结构b）磁场梯度分布；1-分析天平2-试样3-电磁铁4-电加荷系统7抗磁与顺磁分析的应用合金的磁化率取决于其成分、组织和结构状态。从磁化率变化的特点可以分析合金组织的变化，以及这些变化与温度和成分之间的关系。这种分析在测定铝合金的固溶度曲线和研究铝合金的时效等问题中应用取得了良好的结果。1)测定Al-Cu合金的固溶度曲线bm是退火试样测得的结果，它所对应的组织是以铝为基的固溶体和CuAl2相的混合物，随着铜含量的增多，CuAl2相的数量随之增多。曲线bf所对应的组织是铜与铝所组成的单相固溶体。据计算，在合金固溶体中一个铜原子可影响9/914～15个铝原子的顺磁性。因此，与两相混合物相比，它的磁化率随着含铜量的增加，迅速地降低。2）研究铝合金的分解测量顺磁磁化率的变化不仅可以确定合金的固溶的曲线，而且还可用于研究淬火铝合金的分解情况。由于淬火状态铜和铝形成了过饱和固溶体，铜的抗磁作用对铝的顺磁影响较大，使合金的顺磁磁化率显著降低。退火状态的合金中，有94%的铜以CuAl2相的形式存在，因此铜对铝的顺磁性影响较小