《材料物理性能》王振廷版课后答案106页要点

1、试说明下列磁学参量的定义和概念：磁化强度、矫顽力、饱和磁化强度、磁导率、磁化率、剩余磁感应强度、磁各向异性常数、饱和磁致伸缩系数。a、磁化强度：一个物体在外磁场中被磁化的程度，用单位体积内磁矩的多少来衡量，成为磁化强度Mb、矫顽力Hc：一个试样磁化至饱和，如果要μ=0或B=0，则必须加上一个反向磁场Hc，成为矫顽力。c、饱和磁化强度：磁化曲线中随着磁化场的增加，磁化强度M或磁感强度B开始增加较缓慢，然后迅速增加，再转而缓慢地增加，最后磁化至饱和。Ms成为饱和磁化强度，Bs成为饱和磁感应强度。d、磁导率：μ=B/H，表征磁性介质的物理量，μ称为磁导率。e、磁化率：从宏观上来看，物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的磁场强度有关。M=χ·H，χ称为单位体积磁化率。f、剩余磁感应强度：将一个试样磁化至饱和，然后慢慢地减少H，则M也将减少，但M并不按照磁化曲线反方向进行，而是按另一条曲线改变，当H减少到零时，M=Mr或Br=4πMr。（Mr、Br分别为剩余磁化强度和剩余磁感应强度）g、磁滞消耗：磁滞回线所包围的面积表征磁化一周时所消耗的功，称为磁滞损耗Q（J/m3）h、磁晶各向异性常数：磁化强度矢量沿不同晶轴方向的能量差代表磁晶各向异性能，用Ek表示。磁晶各向异性能是磁化矢量方向的函数。i、饱和磁致伸缩系数：随着外磁场的增强，致磁体的磁化强度增强，这时|λ|也随之增大。当H=Hs时，磁化强度M达到饱和值，此时λ=λs，称为饱和磁致伸缩所致。2、计算Gd3+和Cr3+的自由离子磁矩？Gd3+的离子磁矩比Cr3+离子磁矩高的原因是什么？Gd3+有7个未成对电子,Cr3+3个未成对电子.所以,Gd3+的离子磁矩为7μB,Cr3+的离子磁矩为3μB.3、过渡族金属晶体中的原子（或离子）磁矩比它们各自的自由离子磁矩低的原因是什么？4、试绘图说明抗磁性、顺磁性、铁磁性物质在外场B=0的磁行为。5、分析物质的抗磁性、顺磁性、反铁磁性及亚铁磁性与温度之间的关系？答：(1)抗磁性是由外磁场作用下电子循轨运动产生的附加磁矩所造成的，与温度无关，或随温度变化很小。(2)根据顺磁磁化率与温度的关系，可以把顺磁体分为三类，一是正常顺磁体，其原子磁化率与温度成反比；二是磁化率与温度无关的顺磁体；三是存在反铁磁体转变的顺磁体，当温度高于一定的转变温度TN时，它们和正常顺磁体一样服从局里-外斯定律，当温度低于TN时，它们的原子磁化率随着温度下降而减小，当T→0K时，磁化率趋于常数。(3)反铁磁性物质的原子磁化率在温度很高时很小，随着温度逐渐降低，磁化率逐渐增大，温度降至某一温度TN时，磁化率升至最大值；再降低温度，磁化率又减小。(4)亚铁磁性物质的原子磁化率随温度的升高而逐渐降低。6、什么是自发磁化？铁磁体形成的条件是什么？有人说“铁磁性金属没有抗磁性”，对吗？为什么？a、组成铁磁性材料的原子或离子有未满壳层的电子，因此有固有原子磁矩。在铁磁性材料中，相邻离子或原子的未满壳层的电子之间有强烈的交换耦合作用，在低于居里温度并且没有外加磁场的情况下，这种作用会使相邻原子或离子的磁矩在一定区域内趋于平行或者反平行排列，处于自行磁化的状态，称为自发磁化。b、铁磁性材料具有一个磁性转变温度:居里温度Tc。一般自发磁化随环境温度的升高而逐渐减小，超过居里温度Tc后全部消失，此时材料表现出顺磁性，材料内部的原子磁矩变为混乱排列。只有当T＜Tc时，组成铁磁性材料的原子磁矩在磁畴内才平行或反平行排列，材料中有自发磁化。材料内部相邻原子的电子之间存在一种来源于静电的相互交换作用，由于这种交换作用对系统能量的影响，迫使各原子的磁矩平行或反平行排列，形成自发磁化。c、材料的磁性来源于电子的轨道运动和电子的自旋运动。所有的材料处于磁场中时，外磁场都会对电子轨道运动回路附加有洛伦兹力，使材料产生一种抗磁性，其磁化强度和磁场方向相反。抗磁性是电子轨道运动感生的，因此所有物质有抗磁性。但并非所有物质都是抗磁体，这是因为原子往往还存在着轨道磁矩和自旋磁矩所组成的顺磁磁矩。原子系统具有总磁矩时，只有那些抗磁性大于顺磁性的物质才成为抗磁体。7、分子场的本质是什么？在铁磁体中起什么作用？答：分子场的本质：分子场的性质不是磁场，量子力学告诉我们，分子场来源于相邻原子中电子间的交换作用，它导致了磁有序。从本质上讲，这是属于静电作用。在铁磁体中的作用：铁磁物质内部存在很强的“分子场”，它使原子磁矩同向平行排列，即自发磁化到饱和；铁磁体的自发磁化分成若干磁畴，由于磁体中各磁畴的磁化方向不一致，所以大块磁体对外不显示磁性。8、试用磁畴模型解释软磁材料的技术磁化过程。9、磁畴大小和结构有哪些条件决定。10、哪些磁性能是组织敏感的？举例说明成分、热处理、冷变形、晶粒取向等因素对磁性的影响？从金属内部的因素考查，可把铁磁参量分为两类，即组织敏感性参量和组织不敏感参量。组织和结构不敏感参量不受组织和结构的影响或影响很小，属于这类参量的有Ms(饱和磁化强度)，λs(饱和磁致伸缩系数)，K(磁晶各向异性参数）和Tc（居里温度）等，它们与合金的成分和铁磁相性质及数量有关。组织和结构敏感参量强烈地受组织、结构因素以及应力状态的影响，属于这类参量的有Hc(矫顽力)，μ(磁导率)，χ(磁化率)和Br(剩余磁感应强度)等，它们均与技术磁化有关。11、什么叫磁弹性能？他受哪些因素影响？物体在磁化时伸长或收缩受到限制，则在物体内部形成应力，从而内部将产生弹性能，即磁弹性能。物体内部的缺陷、杂质等都可以增加其磁弹性能。对于多晶体而言，若磁弹性能是由于应力的存在而引起的，那么磁化方向和应力方向的夹角、材料所受的应力、饱和磁致伸缩系数和单位体积中的磁弹性能都会影响该磁弹性能。12、技术磁化过程可分为那几个阶段，各个技术磁化阶段的特点是什么？什么叫单畴体？单晶体一定是单畴体吗？第一部分OA是可逆磁化过程可逆是指磁场减少到零时M沿原曲线减少到零在可逆磁化阶段磁化曲线是线性的没有剩磁和磁滞。在金属软磁材料中此阶段以可逆壁移为主。第二部分AB是不可逆磁化阶段此阶段内M随磁化场急剧地增加M与H曲线不再是线性。此阶段中若把磁场减少到零M不再沿原曲线减少到零而出现剩磁这种现象成为磁滞巴克豪森指出这一阶段由许多M的跳跃性变化组成是畴壁的不可逆跳跃引起的。第三部分BC是磁化矢量的转动过程第二阶段结束后畴壁消失整个铁磁体成为一个单畴体但其内部磁化强度方向还与外磁场方向不一致。在这一阶段内随磁化场进一步增大磁矩逐渐转动到与外磁场一致的方向当磁化到S点时磁体已磁化到技术饱和这时的磁化强度称饱和磁化强度Ms。第四部分自C点以后M-H曲线已近似于水平线而M-H曲线大体上成为直线自C点继续增大外磁Ms还稍有增加这一过程称为顺磁磁化过程。（注：书上为三个过程，但相对而言，我认为这个答案更为合理和完整。若有疑虑，可省去第四部分）说法一、具有强磁化强度的颗粒(如磁铁矿)其自发能随着体积增大能够迅速增大。在某些非常小的颗粒中，这些电子自旋最终定向排列。这种颗粒被均匀磁化，并被称为单畴(singledomain,SD)。说法二、多畴的大块材料在很强的外磁场的作用下，被磁化至饱和状态，整块材料内的自发磁化强度基本上取在一个磁化方向上，形成一个单畴。单晶体不一定是单畴体假如单晶半径为R，单畴体的临界尺寸为r，如果Rr,则不是单畴结构；如果Rr，则肯定是单畴结构。也就是说，单畴体有一个临界尺寸，但临界尺寸r不一定是单晶尺寸。当Rr，则肯定是单畴结构。12、技术磁化过程分为哪几个阶段？各个技术磁化阶段的特点是什么？答：第一部分（OA）是可逆磁化过程：可逆是指磁场减少到零时，M沿原曲线减少到零，在可逆磁化阶段，磁化曲线是线性的，没有剩磁和磁滞。在金属软磁材料中，此阶段以可逆壁移为主。第二部分（AB）是不可逆磁化阶段：此阶段内，M随磁化场急剧地增加，M与H曲线不再是线性。此阶段中，若把磁场减少到零，M不再沿原曲线减少到零，而出现剩磁，这种现象成为磁滞，巴克豪森指出，这一阶段由许多M的跳跃性变化组成，是畴壁的不可逆跳跃引起的。第三部分（BC）是磁化矢量的转动过程：第二阶段结束后，畴壁消失，整个铁磁体成为一个单畴体，但其内部磁化强度方向还与外磁场方向不一致。在这一阶段内随磁化场进一步增大，磁矩逐渐转动到与外磁场一致的方向，当磁化到S点时，磁体已磁化到技术饱和，这时的磁化强度称饱和磁化强度Ms。第四部分自C点以后，M-H曲线已近似于水平线，而M-H曲线大体上成为直线，自C点继续增大外磁，Ms还稍有增加，这一过程称为顺磁磁化过程。13、饱和磁化强度Ms：磁性体被磁化到饱和状态时的磁化强度。饱和磁感应强度Bs：磁性体被磁化到饱和状态时的磁感应强度。14、何为起始磁导率？何种场合需要高起始磁导率？受哪些因素影响？起始磁导率场合：研究非晶态铁磁合金的磁性稳定性、铁芯也需要高起始磁导率。因素影响15、什么叫做最大磁导率？举例说明提高软磁材料最大磁导率的途径？最大磁导率μm图中曲线表示了μr值是随磁场强度变化的曲线。在某一磁场强度下，相对磁导率达到最大值，称为最大磁导率μm。16、什么叫剩余磁化强度，什么叫剩余磁感强度？他们间存在什么样的关系？提高剩磁途径？永磁材料在闭路状态下经外磁场磁化至饱和后，再撤消外磁场时，永磁材料的磁极化强度J和内部磁感应强度B并不会因外磁场H的消失而消失，而会保持一定大小的值，该值即称为该材料的剩余磁极化强度Jr和剩余磁感应强度Br，统称剩磁。剩磁Jr和Br的单位与磁极化强度和磁感应强度单位相同。提高剩磁的方法永磁材料的磁极化强度Js是很重要的磁参量,它是该材料剩磁Br的极限值,也是决定该材料磁能积极限值或理论值(BH)m=Js2/4的磁学量。为提高残留磁化强度，要选用饱和磁化强度高的物质，同时要通过制造工艺等保证方形度接近1。实际的工艺过程中，可采用下述技术实现单轴磁各向异性。这些技术包括：①使铸造组织柱状晶化；②通过冷加工形成加工纤维组织；③通过磁场中加工诱导磁各向异性；④通过磁场中热处理诱导磁谷向异性。17、什么叫矫顽力？提高材料的矫顽力的途径有哪些？使磁化至技术饱和的永磁体的B（磁感应强度）降低至零所需要的反向磁场强度称为磁感矫顽力。提高材料的矫顽力的途径：1)、使合金从有序结构向无序结构转变，2)、范性形变使晶体中产生大量的缺陷和内应力，矫顽力随形变量增大而增大，3)、加工硬化，4)、晶粒细化18、什么叫最大磁能积？为什么最大磁能积越大越好？提高最大磁能积的途径？退磁曲线上任何一点的B和H的乘积既BH我们称为磁能积,而B×H的最大值称之为最大磁能积(BH)max。磁能积是恒量磁体所储存能量大小的重要参数之一，(BH)max越大说明磁体蕴含的磁能量越大，表示此时磁体对外做功的能力最大。为使(BH)m尽可能大，需要几个条件。首先，Br要高；其次，因反磁场造成的Br减少并且应尽量小，也就是说，方形度要尽量大；最后，具有较大的矫顽力。20、一个合金中肯定有两种铁磁性相，用什么方法证明。22、23、自发磁化的物理本质是什么？材料具有铁磁性的充要条件是什么？铁磁体自发磁化的本质是电子间的静电交换相互作用材料具有铁磁性的充要条件为:1）必要条件:材料原子中具有未充满的电子壳层,即原子磁矩2）充分条件:交换积分A024、论述各类磁性χ-T的相互关系1)抗磁性.d与温度无关,d02)顺磁性:cTTC,Tc为临界温度,成为顺磁居里温度,TTc时显顺磁性3)反铁磁性:当温度达到某个临界值TN以上,服从居里-外斯定律4)铁磁性:χf0,TTc,否则将转变为顺磁性,并服从居里-外斯定律5)亚铁磁性:是未抵消的反铁磁性结构的铁磁性25、比较铁磁体中五种能量的下列关系:（1）数学表达式；（2）来源和物理意义（3）对磁矩取向的作用。答:铁磁材料的五种相互作用能分别为:交换能Fex,磁晶各向异性能Fx,磁弹性能Fσ,退磁场能Fd和外磁场能FH相邻原子电子自旋的单位体积内的交换能2322212)()()(aASVEFexexA0时,电子自旋不