1、1基本要求一，基本概念：1. 摩尔热容: 使摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高 1K 所需要的能量,它反映材料从周围环境吸收热量的能力，它与温度、质量、过程有关。用 Cm 表示，单位为J/(molK)。2. 晶格热振动： 晶体点阵中的质点(原子,离子)总是围绕着平衡位置作微小振动.3. 声子（Phonon ）: 声子是晶体中晶格集体激发的准粒子，就是“ 晶格振动的简正模能量量子。聲子與光子(光的量子)相似，可視為具有粒子性的波包。化学势为零，属于玻色子。4. 德拜温度：德拜模型认为，晶体对热容的贡献主要是低频弹性波的振动，声频支的频率具有 0max 分布，其中，最大频率所对应的温度
2、即为德拜温度： 称为德拜特kDmax征温度。5. 示差热分析法（Differential Thermal Analysis, DTA）: 利用在相同条件下加热或冷却时,试样和标准样的温度差与温度或时间关系,对组织结构进行分析的一种技术。6. 差动扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）: 用差动方法测量加热或冷却过程中，将试样和标准样的温度差保持为零时，所需要补充的热量与温度或时间的关系。7. 禁带：能隙所对应的能带，或允带间电子禁止的能级所对应的能带。8. 导带：具有空能级允带中的电子（未满带的电子） ，在外电场作用下可参与导电。这种未满的允
3、带称为导带。9. 固体电解质：具有离子电导的固体物质离子晶体要具有离子电导的特性，必须：电子载流子的浓度小；离子晶格缺陷浓度大，并参与电导。10. 本征电导：源于晶体点阵的基本离子的运动。固有电导中，载流子由晶体本身的热缺陷提供。11. 杂质电导：由固定较弱的杂质离子的定向运动。填隙杂质或置换杂质（溶质） 。12. 霍尔效应: 沿 x 轴通入电流，z 方向上加磁场，y 方向上将产生电场。实质：运动电荷在磁场中受力所致。13. 塞贝克效应：当两种不同的导体组成一个闭合回路时，若在两接头处存在温度差则回路中将有电势及电流产生，这种现象称为塞贝克效应。14. 玻尔帖效应：当有电流通过两个不同导体组成
4、的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，还要在两接头处出现吸热或放出热量 Q 的现象。15. 磁畴：在未加磁场时铁磁体内部已经磁化到饱和状态的小区域。216. 磁致伸缩效应：铁磁体在磁场中被磁化时，其形状和尺寸都发生变化的现象。17. 退磁场：非闭合回路磁体磁化后，磁体内部产生一个与磁化方向相反的磁场。18. 自发磁化：在未加磁场时铁磁金属内部的自旋磁矩已经自发地排向了同一方向的现象19. 技术磁化：在外磁场的作用下，铁磁体从完全退磁状态磁化到饱和的内部变化过程。20. 磁滞损失： 磁滞回线所包围的面积相当于磁化一周所产生的能量损耗。21. 磁导率 ：当外磁场 H 增加时，磁感应强度 B 增加的速率
5、叫磁导率，用 表示， 即=B/H。22. 抗磁性: 定义: 当材料被磁化后,磁化矢量与外加磁场的方向相反时，固体表现为抗磁性。抗磁性物质的抗磁性一般很微弱，磁化率 是甚小的负常数(M 与 H 反向)，一般约为10-6 数量级。抗磁性是电子电子的循轨运动在外加磁场作用下的结果.任何金属都具有抗磁性.23.反铁磁性：由于交换作用，反铁磁性体的原子磁矩在同一子晶格中，无外磁场的作用时，磁矩是同向排列的，具有一定的磁矩；在不同的子晶格中磁矩是反向排列。两个子晶格中自发磁化强度大小相同，方向相反，整个晶体 M 0。反铁磁性物质大都是非金属化合物，如 FeO，NiF 2 滞弹性：是指在弹性范围内出现的非弹
6、性现象。弹性蠕变和弹性后效都是弹性范围内应变的变化落后于应力的现象。25. 瑞利磁滞回线：当外磁场的振幅不大(磁化基本上为可逆)时,得到在原点附近具有正负对称变化的磁滞回线.26. 内耗：固体材料对振动能量的损耗称为内耗，它代表材料对振动的阻尼能力。27. 滞弹性：在弹性范围内出现的非弹性现象（如弹性蠕变和弹性后效） 。28. 滞弹性内耗：由滞弹性产生的内耗。29. 弹性模量：在弹性范围内，引起物体单位变形所需要的应力大小。即材料所受应力 与应变 之间的线性比例系数， = E，其中称为弹性模量。它表示材料弹性变形的难易程度。二，基本理论（含微观机理）：热学: 杜 隆 珀 替 定 律 ；杜 隆
7、珀 替 定 律 ： “恒 压 下 元 素 的 原 子 热 容 等 于 25J/Kmol”。 实 际 上 大 部 分 元 素 的 原 子 热 容 都 接 近25 J/Kmol， 特 别 在 高 温 时 符 合 得 更 好 。 爱因斯坦模型；德拜的比热模型热膨胀：微观机理电学: 1. 量子自由电子理论; 2. 能带理论; 3.离子导电机制磁学: 1铁磁金属的自发磁化理论 ; 2. 矫顽力理论（应力理论，杂质理论）弹性与内耗: 1弹性理论；滞弹性内耗机制（驰豫理论的基本思想）三，基本规律（含影响因素）3热学：热容的实验规律，影响热容的因素及规律（温度，组织转变，结构相变，合金成分等）热膨胀：热膨胀的
8、实验规律；常见材料（如钢组织）的膨胀规律电学：导体，半导体，绝缘体的导电性随温度的变化规律；影响导电性的因素磁学：曲线；磁化规律；影响铁磁性的因素（组织敏感参量和组织不敏感参量）弹性与内耗：内耗的实验测定；斯诺克内耗实验四，实验测量方法与原理热学：热容的测定及热分析方法热膨胀：热膨胀的测量方法磁学：磁性的测量方法及原理（如矫顽力等）弹性与内耗：弹性模量及内耗的测量原理；碳在 Fe 中的扩散系数和扩散激活能的测定1.什么叫固体的热容?它与哪些量有关?如何分类?2.一般情况下,固体热容随温度 T 是如何变化的?在高温区及低温区各满足什么规律?3.爱因斯坦热容理论的基本思想是什么?他在哪些方面获得了
9、成功?4.什么叫德拜温度? 德拜温度与熔点 Tm 或晶格最大振动频率有何关系? 5.一级相变与二级相变对热容的影响有何不同? 试举例说明.6.何谓 DSC 热分分析? 较 DTA 分析法有何优点?7.简述撒克司法测量比热容的基本原理.8.试分析 Ni3Fe 合金有序-无序转变对比热的影响.9. 热膨胀的物理本质是什么?试用双原子模型说明固体热膨胀的物理本质。10.反常膨胀有何意义，举例说明之。何谓膨胀合金? 膨胀合金的特点与机理是什么?11.钢的组织中什么组织的比容最大，什么组织的比容最小？钢的线膨胀系数何者最大，何者最小？12.光学膨胀仪的基本原理是什么? 标准样的功能是什么?对标准样有何要
10、求?13.示差光学膨胀仪较普通光学膨胀仪有何优点?14.光干涉法膨胀仪的基本原理是什么?(光的干涉条件是什么?如何实现?如何计算试样的膨胀量?)15.电感式膨胀仪的基本原理是什么?有何特点?16.什么叫塞贝克效应?其机理是什么?有何应用?17.影响热电势的因素有哪些?合金形成化合物时,共价键的加强对热电势有何影响?18.什么叫玻尔帖效应?其机理是什么?有何应用?19.何谓磁矩? 磁矩的最小单元是什么？电子磁矩可分哪几部分？原子的总磁矩与原子结构有何关系？ 20何谓磁化? 何谓磁化强度 M？磁化强度 M 与磁场强度 H 有何关系？21何谓铁磁性?铁磁性物质与顺磁性物质的有何区别?22.何谓抗磁性
11、?产生抗磁性的根源是什么?抗磁性物质的磁化强度与磁场强度呈何种函数关系?23. 基本概念:磁导率,矫顽力,磁畴,自发磁化,退磁场, 磁晶各向异性,磁致伸缩效应.产生铁磁性条件.24.影响金属铁磁性的因素(应力,热处理,冷加工,杂质成分.)25. 铁磁性的测量（Hc，磁滞回线等）26：钢的组织的磁性27.磁畴为何要分畴？由哪些能量相互竞争平衡？28.技术磁化共分几个过程，各有何特点？29. 应力，非磁杂质，缺陷对磁化过程有何作用和影响？430.畴壁为什么会定扎非磁杂质和缺陷？31. 什么叫滞弹性内耗？它与静滞后内耗有何不同？置换原子是否能产生应力感生有序？与溶质原子浓度有何关系？32. 什么叫斯
12、诺克（J.Snoek）内耗峰，它与 C(N)原子浓度及晶粒大小有何关系？33. 如何测定碳在 -Fe 中的扩散激活能？内容简介第一章. 材料的热性能由于材料和制品往往要应用于不同的温度环境中，很多使用场合还对它们的热性能有着特定的要求，因此热学性能也是材料重要的基本性质之一。固体材料的一些热性能如比热，热膨胀、热传导等都直接与晶格振动有关，因此我们首先介绍热力学与统计力学一些概念和晶格振动的有关内容。1 材料的热容热容的概念:热容的定义：物体在温度升高 1K 时所吸收的热量称作该物体的热容摩尔热容：使摩尔物质在没有相变和化学反应的条件下，温度升高 1K 所需要的能量,它反映材料从周围环境吸收热
13、量的能力.它与温度,质量,过程有关。通常工程上所用的平均热容是指物体从温度 T1 到 T2 所吸收的热量的平均值：平均热容是比较粗略的，T 1T 2 的范围愈大，精确性愈差， 而且应用时还特别要注意到它的适用范围(T1T 2)。另外物体的热容还与它的热过程性质有关，假如加热过程是恒压条件下进行的，所测定的热容称为恒压热容(C P)。假如加热过程是在保持物体容积不变的条件下进行的，则所测定的热容称为恒容热容(C V)。由于恒压加热过程中，物体除温度升高外，还要对外界作功(膨胀功) ，所以每提高 1K 温度需要吸收更多的热量，即 CPCV， 1.1 晶态固体热容的经验定律和经典理论晶 体 的 热
14、容 ， 元 素 的 热 容 定 律 杜 隆 珀 替 定 律 ： “恒 压 下 元 素 的 原 子 热 容 等 于25J/Kmol”。 实 际 上 大 部 分 元 素 的 原 子 热 容 都 接 近 25 J/Kmol， 特 别 在 高 温 时 符 合 得 更 好 。化 合 物 热 容 定 律 柯 普 定 律 ： “化 合 物 分 子 热 容 等 于 构 成 此 化 合 物 各 元 素 原 子 热 容 之 和 ”。根 据 晶 格 振 动 理 论 ， 一 个 摩 尔 固 体 中 有 N 个 原 子 ， 总 能 量 为 ：E = 3NkT=3RT (4.3)式 中 N阿 佛 加 德 罗 常 数 ；
15、T绝 对 温 度 (K)； k波 尔 茨 曼 常 数 ； R 8.314(J/kmol)气 体 普 适常 数 。按 热 容 的 定 义 ， 有 :Cv= (dE/dT)v = 3NkB = 3R =24.91 J/(mol.K) （4.4）1.2 晶态固体热容的量子理论1.2.1 爱因斯坦模型爱因斯坦提出的假设是：晶体中所有的原子都以相同的频率振动.爱因斯坦模型：晶体中所有原子都以相同的频率振动,振动的能量是量子化的,且每个振子都是独立的振子。5当 T E 时: kNfekTNECekTvv 31322=3R 这就是杜隆珀替定律的形式。TecEvE332当 T 趋于零时，C V 逐渐减小，当
16、T0 时，C V=0，这都是爱因斯坦模型与实验相符之处，但是在低温下，当 T D，C V3R 这即是杜隆珀替定律。 当温度很低时，即 T r0 时，斜率较小，所以 r r0 时，引力随位移的增大要慢些，在这样的受力情况下，质点振动时的平均位置就不在 r0 处而要向右移，因此相邻质点间平均距离增加，温度越高，振幅越大，质点在 r0 两侧受力不对称情况越显著，平衡位置向右移动得越多，相邻质点间平均距离也就增加得越多，以致晶胞参数增大，晶体膨胀。从位能曲线的非对称性同样可以得到较具体的解释，温度愈高，平均位置移得愈远，晶体就愈膨胀。膨胀系数 是一个常数，如计入 的更高次项，就可得到 将随温度而稍有变
17、化。以上所讨论的是导致热膨胀的主要原因，此外晶体中各种热缺陷的形成将造成局部晶格的畸变和膨胀，这虽然是次要的因素，但随温度升高热缺陷浓度按指数关系增加，所以在高温时这方面的影响对某些晶体来讲也就变得重要了。2.3 热膨胀和其它性能的关系2.3.1 热膨胀和结合能、熔点的关系由于固体材料的热膨胀与晶体点阵中质点的位能性质有关，而质点的位能性质是由质点间的结合力特性所决定的。质点间结合力越强，则位阱深而狭，升高同样的温度差 t，质点振幅增加得较少，故平均位置的位移量增加得较少，因此热膨胀系数较小。根据实验还得出某些晶体热膨胀系数 与熔点 Tm 间经验关系式:格律乃森还提出了固体热膨胀的极限方程:
18、Tm V = (VTm-V0)/V0 = C 其中, VTm 和 V0 分别为熔点和 0K时金属的体积。 C 为常数，多数立方和六方晶格金属取 0.06 0.076。即固态金属的体热膨胀极限方程： (VTm-V0)/V0 = C 6% 6.7%。线膨胀系数和熔点的关系可有经验公式：l Tm 0.0222.3.2 热膨胀和热容的关系热膨胀是因为固体材料受热以后晶格振动加剧而引起的容积膨胀。而晶格振动的激化就是热运动能量的增大。升高单位温度时能量的增量也就是热容的定义。所以热膨胀系数显然与热容密切相关而有着相似的规律。格律乃森(Gruneisen)由晶格热振动理论: V = rCV/(EVV);
19、立方晶系: l = rCV/(3EVV); r 为格律乃森常数(r 约在 1.5 2.5 间); E V 是体弹模量。线膨胀系数与热容随温度 T 的变化关系定性一致。因温度升高，热振动加剧，升高单位温度的能量也增高。2.3.3 热膨胀与德拜温度的关系：l = b/(V2/3MD2); 原子间结合力与 D2 成正比，结合力越大，德拜温度越高，膨胀系数越小。2.3.3 热膨胀与原子序数的关系:具有一定的周期性:IA 族元素的 值随 Z 增加而增大,其余 A 族元素的 值则随 Z 增加而减小.这与键有关.碱金属 值高,过渡族元素 值低.与原子结合力有关.石英玻璃的 值约 0.510-6/K,而 F
20、铁为 12 10-6/K.2.3.3 热膨胀和结构的关系8对于相同组成的物质，由于结构不同，膨胀系数也不同。通常结构紧密的晶体，膨胀系数都较大，而类似于无定形的玻璃，则往往有较小的膨胀系数。2.4 多晶体和复合材料的热膨胀对于复合体中有多晶转变的组分时，因多晶转化有体积的不均匀变化而导致膨胀系数的不均匀变化。对于复合体中不同相间或晶粒的不同方向上膨胀系数差别很大时，则内应力甚至会发展到使坯体产生微裂纹，因此有时会测得一个多晶聚集体或复合体出现热膨胀的滞后现象。晶体内的微裂纹可以发生在晶粒内和晶界上，但最常见的还是在晶界上，晶界上应力的发展是与晶粒大小有关的， 因而晶界裂纹和热膨胀系数滞后主要是
21、发生在大晶粒样品中。2.5 热膨胀系数与坯釉适应性陶瓷材料在与其它材料复合使用时，陶瓷和金属的膨胀系数尽可能接近。但对一般陶瓷制品，当选择釉的膨胀系数适当地小于坯的膨胀系数时，制品的机械强度得到提高，反之会使强度减弱。釉的膨胀系数比坯小，则烧成后的制品在冷却过程曲，表面釉层的收缩比坯小，所以使釉层中存在着一个压应力，而均匀分布的预压应力，能明显地提高脆性材料的机械强度，同时还认为这一压应力，也抑制了釉层的微裂纹及阻碍其发展，因而使强度提高。反之，当釉层的膨胀系比坯大，则在釉层中形成张应力，对强度不利，而且过大的张应力还会使釉层龟裂。同样釉层的膨胀系数也不能比坯小得太多，否则会使釉层剥落而造成缺
22、陷。2.6 钢的膨胀特性钢的组织中马氏体比容最大，奥氏体最小，铁素体和珠光体居中。而马氏体，珠光体和奥氏体的比容都随含碳量的增加而增大。铁素体和渗碳体的比容有固定值。 钢的线膨胀系数则相反，奥氏体最大，铁素体和珠光体次之，马氏体最小。2.7 膨胀的测量膨胀测量是材料热性能研究的一种物理方法。材料的热膨胀特性以它的膨胀系数表征，通常检测其平均线膨胀，核心在于精确测量在特定温区内的热膨胀量。按原理可分为：光学式，电测式，机械式。1. 光学膨胀仪光学膨胀仪是物理冶金中常用的膨胀仪。其基本原理是利用光杠杆放大试样的膨胀量，并用标准样的伸长标出温度。又通过照相方法自动记录膨胀曲线。放大倍数可达 200
23、800 倍通常可分为：(1). 普通光学膨胀仪 (测定膨胀系数)(2). 示差光学膨胀仪 (灵敏度和精确度更高，适于测定临界点)标样功能：水平分量指示和跟踪待测试样的温度标准样的要求：其膨胀量与温度成正比；在测量范围内无相变,不易氧化；导热系数接近待测样。与试样的形状和尺寸相同.标准样的选择：较低温度方围研究有色金属和合金时，常用铜和铝纯金属做标准样；研究钢材时，研究钢的标样可采用皮洛斯合金（PYROS alloy)（Ni80%-Cr16%-W4%).稳定性好，1000 度以下无相变，膨胀系数由 12.2710-6/K 均匀增加到 21 . 2410-6/K。较石英传动杆的线膨胀系数约 0.5
24、10-6/K。2. 电测式膨胀仪将膨胀量转换为电讯号，然后进行电讯号的记录，数据处理和画出膨胀曲线。(包括应变电阻式膨胀仪，电容式膨胀仪和电感式膨胀仪) 。电感式膨胀仪:组成：初级，次级线圈和磁芯构成。初级和次级线圈绕在同一绝缘管上, 次级线圈由两段完全相同的绕组反向的先圈串接而成。它们相对初级线圈完全对称。磁芯处在中间位置时，反接的次级线圈的感生电动势相互抵消。磁芯偏离中间位置差动变压器信号与磁芯偏离量呈线性关系。原理:采用差动变压器原理将试样的膨胀量转换为电信号（放大倍数可达到 6000 倍） 。9特点：试样可采用真空高频加热，加热速度可控制在 500/s 以下范围。试样冷却可以选用小电流
25、加热自然冷却和强力喷气冷却三种冷却方式。加热温度和冷却速度易于自动化和计算机控制和数据处理。近年来，较为先进的全自动快速膨胀仪膨胀量转换采用的就是差动变压器原理。缺点：易受电磁因素的干扰。变压器电源采用 200400Hz 以防止工业网的干扰。3.机械式膨胀仪(1).千分表式膨胀仪(2). 杠杆式膨胀仪将膨胀量转移到千分表或利用杠杆作用放大.材料的电导在材料的许多应用中，电导性是非常重要的。由于电导性能的差异，材料被应用在不同的领域。半导体材料已作为电子元件广泛应用于电子领域，成为现代电子学的一个重要部分。如电阻发热元件，在高温（1500）下能维持其力学性能不变；各种半导体敏感材料，如压敏材料、
26、热敏材料、光敏材料、快离子导电材料、气敏材料等是制作各类传感器的重要材料之一，由于它们与信息和微机等高新技术的发展密切相关，因而获得了迅猛发展和广泛的应用，成为功能材料的一个重要分支。利用具有零阻电导现象的超导材料制作的新型电子器件也已获得应用。此外还有性能几乎不受温度和电压影响的欧姆电阻。这些材料的应用都是利用了材料的电导特性。无机材料是良好的绝缘材料，是输配电及无线电工业中主要的材料之一，常用于低压和高压绝缘。因此材料绝缘性能的好坏是非常重要的。5.1 电导的物理现象5.1.1 电导的宏观参量（1）电导率和电阻率电流密度 J J=E/=E （5.1）式中 =R(S/L)，为材料的电阻率。电
27、阻率的倒数定义为电导率 ，即 =1/。也可写为J=E （5.2）这就是欧姆定律的微分形式，它适用于非均匀导体。微分式说明导体中电流密度正比于该点的电场，比例系数为电导率 。（3）迁移率和电导率材料的导电现象，其微观本质是载流子在电场作用下的定向迁移。电流密度定义为单位时间内通过单位面积迁移的电荷量，即 J=nqv。根据欧姆定律的最一般表达式 J=E，得到电导率为J/Enqv/E (5.8)令 v/E，并定义为载流子的迁移率。其物理意义是载流子在单位电场中的迁移速度。因此电导率是载流子浓度和迁移率的乘积（ nq） （ 5.9）如果载流子为离子，则需要考虑原子价态 z，则上式可以写成（ nzq）
28、在一种材料中对电导率有贡献的载流子常常不只一种。在这种情况下，第 i 种粒子的电导率为 i niziqii于是总的电导率可由下式给出 （5.10）iqn（5.10）式反映电导率的微观本质，即宏观电导率 与微观载流子的浓度 n，每一种载流子的电荷量 q 以及每种载流子的迁移率的关系。5.2 离子电导离子晶体中的电导主要为离子电导。晶体的离子电导可以分为两类：第一类源于晶体点阵的基本离子的热振动形成的两种热缺陷，一种是弗仑克尔缺陷，另一种是肖特基缺陷。由于所形成的缺陷都是带电的，因而都可作为离子电导的载流子。这种载流子的电导称为固有离子电导或本征导电。第二类是由固溶的杂质离子引起，杂质离子是弱联系
29、离子，所以在较低温度下杂质电导表现得特别显著。离子型导体统称为电解质，从状态上分为液态和固态。本节主要讨论固体电解质的电导特性。利用离子电导特性的固体称为固体电解质，它们既保持其固体特点，又具有与熔融强电解质或强电解质水溶液比拟的离子电导率，因此这类材料的结构特点将肯定不同于正常态离子固体。对于非晶态固体，由于结构比晶体疏松造成弱联系的离子，因而表现为较大的离子电导。105.2.1 载流子的浓度在本征电导时，载流子由晶体本身热缺陷提供。对于弗仑克尔缺陷，如果其缺陷的形成能为 Ef，由于同时形成了填隙离子和空位，而且浓度相等，根据波尔兹曼分布，其浓度可表示为:N f=Nexp(-Ef/2kT)
30、（5.11）式中 N 为单位体积内离子的格点数或结点数 , Ef 为同时生成一个填隙离子和一个空位所需要的能量同样肖特基缺陷空位的浓度，在离子晶体中可表示为Ns=Nexp(-Es/2kT) （5.12）式中 N 为单位体积内正负离子对数目， Es 为离解一个阴离子和一个阳离子并达到表面所需要的能量，即肖特基缺陷形成能。由以上两式可以看出热缺陷的浓度决定于温度 T 和离解能 E。常温下由于 kT 比起 E 来很小，因而只有在高温下，热缺陷的浓度才显著增大，即本征电导在高温下显著。E 和晶体结构有关，在离子晶体中，一般肖特基缺陷形成能比弗仑克尔缺陷形成能低许多，只有在结构很松，离子半径很小的情况下
31、，才易形成弗仑克尔缺陷，如 AgCl 晶体，易生成间隙离子 Agi。杂质离子载流子的浓度决定于杂质的数量和种类。因为杂质离子的存在，不仅增加了载流子数目，而且使点阵发生畸变，杂质离子离解活化能变小。和本征电导不同，在低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定。5.2.2 离子的迁移率离子电导的微观机构为载流子离子在电场的驱动下，穿过晶格而移动，即离子在晶体中扩散或迁移。下面主要以间隙离子在晶格中的扩散现象为例讨论离子的迁移。处于间隙位置的间隙离子，受周围离子的作用，处于一定的平衡位置，由于该位置的能量高于格点离子的能量，所以也称此为半稳定位置。如同晶体中 格点的原子处于周期性势场中一样，间
32、隙离子同样也处于 一周期性势场中。因此，一个离子要穿过晶格而移动，就 必须具有足够的热能以越过势垒U0，此势垒处于晶格结点 之间，完成一次跃迁，又处于新的平衡位置上，如图 5.3。这种扩散过程就完成了宏观离子的迁移。当有外电场 存在时，外电场对间隙离子作功，间隙离子的势垒发生变化， 如图 5.4。载流子沿电场力方向 的迁移率为:（5.13）kTUkTqE0020expexp6 相邻半稳定位置间的距离（cm）0 间隙离子的振动频率(s-1)Q 电荷数(C)k = 0.8610-4 (eV/)U0 无外电场时的间隙离子的势垒（ e） 对于不同类型的载流子，在不同的晶体中，所需克服的势垒都不同。间隙
33、离子的扩散能远大于空位的扩散能。因此碱卤晶体的电导主要为空位电导。一般离子的迁移率为 10-1310 -16m2/（sV） 。例如：某晶体的晶格常数为 510-8cm，振动频率为 1012Hz ，势垒 U=0.5eV，在 T=300K 下，估计离子的迁移率为 6.191011 cm2/（ sV） 。5.2.3 离子的电导率1.电导率根据电导率的公式 =nq，间隙离子的电导可写成:（5.14）kTWAsSsexp其中 Ws 为电导的活化能。它包括缺陷的形成能和迁移能。A s=Nq2a20/6kT，在温度不大的范围内，可认为As 是常数，因而电导率主要由指数项决定。本征离子电导率的一般式为: TB
34、kT111expexp（5.15）图 5.3 间隙离子扩散势垒E图 5.4 间隙离子的势垒变化F=qEa无电场施加电场 E11其中 B1=Ws/k，A 1 为常数。对于杂质离子也可仿照上式写出:（5.16）T22exp式中 A2=N2q2a2/6kT。N 2 为杂质离子浓度。虽然一般格点的数目比杂质的数目大得多，即 NN2，但因为杂质离子的活化能小于热缺陷移动的活化能，即 B20 时 ，自发平行排列；A 3，即一定的点阵结构。 Rab: 原子间距; r :未满电子壳层半径.3.3.1.3 超交换作用在某些材料中过渡金属离子不是直接接触，直接接触交换作用很小，只有通过中间负离子氧起作用。在尖晶石
35、结构中实际上存在 A-A，B-B ，A-B 三种可能位置.因而存在三种交换作用。由于各种原因，这些化合物中只有其中的一种超交换作用占优势。3.4 金属的铁磁性3.4.1 磁各向异性材料的磁化有难易之分，对于晶体来说，不同的晶体学方向其磁化也有所不同，即存在易磁化的晶体学方向和难磁化的结晶学方向，分别称为易磁化轴和难磁化轴。如体心立方结构的 Fe，其100的 3 个轴为易磁化轴，111 的 4 个轴为难磁化轴。3.4.2 铁磁体的形状各向异性及退磁能退磁场：非闭合回路磁体磁化后，磁体内部产生一个与磁化方向相反的磁场。铁磁体被磁化后产生的退磁场强度：16Hd = -NM; 其中 N 为几何退磁因子
36、， M 为磁化强度，负号表示退磁场与 M 反向。退磁能： 2001dHEMd3.4.3 磁致伸缩效应使消磁状态的铁磁体磁化，一般情况下其尺寸、形状会发生变化，这种现象称为此致伸缩效应。长度为 L 的棒沿轴向磁化时，若长度变化为 L，则磁致伸缩率 =L/L，磁致伸缩率在强磁场的作用下达到饱和的值 s 称为磁致伸缩常数，作为铁磁体的特性参数经常使用。利用磁致伸缩可以使磁能（实际上是电能）转换为机械能，而利用糍致伸缩的逆效应可以使机械能转变为电能。磁致性伸缩的产生机制应进行综合分析。3.4.4 磁畴结构磁畴的形成是能量最低原理的结果退磁能( 减小表面自由磁极) ；磁弹性能( 减少磁畴尺寸) ；畴壁能
37、(包括磁晶各向异性能，磁弹性能)畴壁数量减少。由于铁磁体具有很强的内部交换作用，铁磁物质的交换能为正值，而且较大，使得相邻原子的磁矩平行取向，发生自发磁化，在物质内部形成许多小区域，即磁畴。这种自生的磁化强度叫自发磁化强度 MS。因此自发磁化是铁磁物质的基本特征，也是铁磁物质和顺磁物质的区别所在。大量实验证明，为了保持自发磁化的稳定性，必须使强磁体的能量达最低值，因而就分裂成无数微小的磁畴，形成磁畴结构。每个磁畴的体积大约为 10-9cm3，约有 1015 个原子。3.5 技术磁化磁滞回线: 铁磁体在未经磁化或退磁状态时，其内部磁畴的磁化强度方向随机取向，彼此相互抵消，总体磁化强度为零。如果将
38、其放入外磁场 H 中，其磁化强度 M 随外磁场 H 的变化是非线性的。技术磁化：铁磁金属在外加磁场的作用下所产生的磁化.下面简单的介绍磁畴壁运动模型。在消磁状态下，畴壁受内应力等障碍物的钉扎作用，畴壁难以运动。在外磁场的作用下，由于各磁畴的磁矩发生转向而引起磁畴壁的移动，在磁畴壁的移动过程中，如果磁场较弱，不足以克服内应力等障碍物的钉扎作用，畴壁难以运动，当外磁场取消后，铁磁体即可回到消磁状态，即处于可逆的畴壁移动区域。随着外加磁场强度的增大，钉扎作用不足以抵消外磁场的作用，畴壁试图克服钉扎作用而移动，此时，争脱开障碍物钉扎作用的畴壁，发生雪崩式的移动。畴壁移动是突然和不连续的，从而磁化也是不
39、连续的。用电气放大作用进行探测，会有不规则的噪声出现。称此为 Barkhausen效应或噪声。在此之后，进入到可逆的磁畴旋转区。进而达到饱和磁化状态。如果外磁场 H 为交变磁场，则与电滞回线类似，可得到磁滞回线.磁化阶段：I。畴壁的可逆迁移阶段II。畴壁的不可逆迁移阶段III。磁畴的旋转畴壁移动的阻力1。应力理论: ;20lMHisC2。杂质理论: 3/201adKS可以用磁滞回线说明晶体磁学各向异性。在某一宏观方向上（如水平方向、垂直方向）生长的单磁畴粒子，且其自发磁化强度被约束在该方向内，当在该方向上施加外加磁场，磁滞回线为直角型，而在与此垂直的方向上施加磁场，磁滞回线缩成线性。173.6
40、 影响金属铁磁性的因素组织结构不敏感参量：Ms, s, K, Tc 等，它们与成分，铁磁相的性质及数量有关；组织结构敏感参量：Hc， ， ， Br 等，它们与技术磁化有关。一，温度的影响: M-T 曲线：Tc；二，应力的影响: 应力方向与磁致伸缩同号时应力促进磁化；反之则阻碍磁化。三，形变，晶粒及杂质的影响: 形变产生大量缺陷和很高的应力，使磁导率下降，娇顽力升高；再结晶退火可消除应力和缺陷，使磁化容易，从而使磁导率显著增高，娇顽力下降；晶粒细化与加工硬化的效果相似。晶粒越细小,晶界(面缺陷)便越多,磁化的阻力也越大,越难磁化.杂质：固溶杂质使点阵扭曲，阻碍畴壁移 动，使 下降，Hc 上升。
41、间隙固溶体时，杂质影响较大，形成夹杂物和置换 式固溶体时影响较小。但都使 Ms 降低。四，合金成分和组织的影响(1)形成固溶体抗磁或顺磁金属溶入 铁磁金属形成固溶体时，Ms 随之降低。过 渡族金属有较强的固有磁矩，通过点阵常数的变化，使交换作用增强，在溶质浓高时 Ms 增大，浓度较高时 Ms 因稀释而降低。有序化使 Ms 增大(2).化合物：铁 磁金属与顺 磁或抗磁金属所组成的化合物和中间相都呈顺磁相。铁磁金属与非金属组成的化合物 Fe3O4,FeSi2,Fe2O3,FeS 呈亚铁磁性。Fe3C, e4N 属弱磁相。五, 钢的铁磁性：铁素体(碳溶于 -Fe中形成的间隙固溶体) ，珠光体， 贝氏
42、体，和马氏体均具有强铁磁性。Fe3C 是弱铁磁相。奥氏体呈顺磁相。淬火态比退火态的 Hc 高，含 C 量高的 Hc 高(同是淬火态 或退火态) ；细片。珠光体的 Hc 比粗片状和粒状的高。磁 导 率的 变化与 Hc 相反。3.7 铁磁性的测量 (详细见课件)静态磁性能的测量：直流磁场下的基本磁化曲线，磁滞回 线 ，以及由此定 义的磁参数：Ms, Br, Hc, , (BH)max等。动态磁性 测量： 测量软磁材料在交变磁场中的性能，以及各种 B，f 下的 和磁损耗。1.闭路试样的冲击法 2.开路试样的冲击法测量 3.热磁仪测量法(磁转矩仪)4.抛脱法(1)。先将试样磁化到饱和； (2)。逐渐增
43、大反向电流退磁 ; (3)。直至将试样迅速抽出后，检流计为零。(4)。H C = NI / L3.8 铁氧体结构及磁性 (自学 )以氧化铁（Fe 3+2O3）为主要成分的强磁性氧化物叫做铁氧体。铁氧体磁性与铁磁性相同之处在于有自发磁化强度和磁畴，因此有时也被统称为铁磁性物质。铁氧体一般都是多种金属的氧化物复合而成，因此铁氧体磁性来自两种不同的磁矩。一种磁矩在一个方向相互排列整齐；另一种磁矩在相反的方向排列。这两种磁矩方向相反，大小不等，两个磁矩之差，就产生了自发磁化现象。因此铁氧体磁性又称亚铁磁性。从晶体结构分，目前已有尖晶石型、石榴石型、磁铅石型、钙钛矿型、钛铁矿型和钨青铜型等 6 种。重要
44、的是前三种。下面将分别讨论它们的结构及磁性。3.8.1 尖晶石型铁氧体铁氧体亚铁磁性氧化物一般式表示为 M2+OFe23+O3，或者 M2+-Fe2O4，其中 M 是Mn，Fe ，Co ， Ni，Cu ，Mg， Zn，Cd 等金属或它们的复合，如 Mg1x MnxFe2O4） ，因此组成和磁性能范围宽广。它们的结构属于尖晶石型.3.8.2 石榴石型铁氧体稀土石榴石也具有重要的磁性能，它属于立方晶系，但结构复杂，分子式为 M3Fe5O12，式中 M 为三价18的稀土离子或钇离子，如果用上标 c，a，d 表示该离子所占晶格位置的类型。则其分子式可以写成M3cFe2aFe3dO12，或(3M 2O3
45、)c(2Fe2O3)a(3Fe2O3)d，a 离子位于体心立方晶格格点上，c 离子与 d 离子位于立方体的各个面。与尖晶石的磁性类似，由于超交换作用，石榴石的净磁矩起因于反平行自旋的不规则贡献：处于 a 位的Fe3+离子和 d 位的 Fe3+离子的磁矩是反平行排列的，c 位的 M2+离子和 d 位的 Fe3+离子的磁矩也是反平行排列的。如果假设每个 Fe3+离子磁矩为 5B，则对 M3cFe2aFe3dO12 净磁矩为 净 3 c（3 d2 a）3 c5 B (7.8)因此选择适当的离子，可得到净磁矩。3.8.3 磁铅石型铁氧体磁铅石型铁氧体的化学式为 AB12O19，A 是二价离子 Ba,S
46、r，Pb，B 是三价的 Al,Ga,Cr,Fe，其结构与天然的磁铅石 Pb（Fe 7.5Mn3.5Al0.5Ti0.5）O 19 相同，属六方晶系，结构比较复杂。如含钡的铁氧体，化学式为BaFe12O19.磁化起因于铁离子的磁矩，每个 Fe 离子有 5B自旋，每个单元化学式的排列如下：在尖晶石块中，两个铁离子处于四面体位置形成 25B，七个 Fe 离子处于八面体位置形成 75B。在六方密堆积块中，一个处于氧围成的三方双锥体中的 Fe 离子给出 15B，处于八面体中的两个 Fe 离子给出25B 。净磁矩为 45B=20B。由于六角晶系铁氧体具有高的磁晶各向异性，故适宜作永磁铁，它们具有高矫顽力。
47、它是结构与天然磁铅石相同。3.9 磁性材料的物理效应 (自学 )磁性材料的物理性能随外界因素，例如电场、磁场、光及热等的变化而发生变化的现象称为磁性材料的物理效应。其物理效应有磁光效应、电流磁气效应、磁各向异性磁致伸缩效应动态磁化等。3.9.1 磁光效应光属于电磁波，其电场、磁场和传播方向相互垂直，因此在光通过透明的铁磁性材料时，由于光与自发磁化相互作用，会出现特异的光学现象，称此现象为磁光效应。目前已知的磁光效应有下列几种：1）塞曼效应对发光物质施加磁场，光谱发生分裂的现象称为塞曼效应。从应用的角度来看，还属于有待开发的领域。2）法拉第(Faraday) 效应法拉第效应是光与原子磁矩相互作用
48、而产生的现象。当一些透明物质（如 Y3Fe5O12）透过直线偏光时，若同时施加与入射光平行的磁场，在透射光射出时，其偏振面将旋转一定的角度。称此现象为法拉第效应。3)克尔(Kerr) 效应当光入射到被磁化的材料，或入射到外磁场作用下的物质表面时，其反射光的偏振面发生旋转的现象称为克尔效应，其所旋转的角度为克尔旋转角 k。光盘就是利用了克尔效应而进行磁记录。3.10 磁学材料及应用(自学)磁性材料是指具有可利用的磁学性质的材料。磁性材料按其功能可分为几大类：易被外磁场磁化的磁芯材料；可发生持续磁场的永磁材料；通过变化磁化方向进行信息记录的磁记录材料；通过光或热使磁化发生变化进行记录与再生的光磁记录材料；在磁场作用下电阻发生变化的磁致电阻材料；因磁化使尺寸发生变化的磁致伸缩材料；形状可以自由变化的磁性流体等。利用这些功能，磁性材料已用于器件和设备，如变压器、阻尼器、各类传感器、
