常用鑄鐵的微觀組織分析-南京理工大學(xué)

1、南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系,《磁性材料》實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)二 鐵磁相變和居里溫度的直接觀測(cè)1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?) 了解鐵磁物質(zhì)在居里溫度點(diǎn)由鐵磁物質(zhì)（鐵磁相）轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾盼镔|(zhì)（順鐵磁相）的相變過(guò)程微觀機(jī)理。2) 測(cè)定鐵磁材料樣品的居里溫度。,南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系,《磁性材料》實(shí)驗(yàn),2．實(shí)驗(yàn)原理由于外加磁場(chǎng)的作用，物質(zhì)中狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生新的磁場(chǎng)的現(xiàn)象稱為磁性。物質(zhì)的磁性可分為反鐵磁性（抗磁性）、順磁性和鐵磁性三種，一切可被磁

2、化的物質(zhì)叫做磁介質(zhì)，在鐵磁質(zhì)中相鄰電子之間存在著一種很強(qiáng)的“交換耦合”作用，在無(wú)外磁場(chǎng)的情況下，它們的自旋磁矩能在一個(gè)個(gè)微小區(qū)域內(nèi)“自發(fā)地”整齊排列起來(lái)而形成自發(fā)磁化小區(qū)域，稱為磁疇。在未經(jīng)磁化的鐵磁質(zhì)中，雖然每一磁疇內(nèi)部都有確定的自發(fā)磁化方向，有很大的磁性，但大量磁疇的磁化方向各不相同因而整個(gè)鐵磁質(zhì)不顯磁性。圖1和圖2分別是加磁場(chǎng)前后的多晶磁疇結(jié)構(gòu)。,南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系,《磁性材料》實(shí)驗(yàn),圖1 未加磁場(chǎng)多晶磁疇結(jié)構(gòu),圖

3、2 加磁場(chǎng)時(shí)多晶磁疇結(jié)構(gòu),南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系,《磁性材料》實(shí)驗(yàn),當(dāng)鐵磁質(zhì)處于外磁場(chǎng)中時(shí)，那些自發(fā)磁化方向和外磁場(chǎng)方向成小角度的磁疇其體積隨著外加磁場(chǎng)的增大而擴(kuò)大并使磁疇的磁化方向進(jìn)一步轉(zhuǎn)向外磁場(chǎng)方向；另一些自發(fā)磁化方向和外磁場(chǎng)方向成大角度的磁疇其體積則逐漸縮小，這時(shí)鐵磁質(zhì)對(duì)外呈現(xiàn)宏觀磁性。當(dāng)外磁場(chǎng)增大時(shí)，上述效應(yīng)相應(yīng)增大，直到所有磁疇都沿外磁場(chǎng)排列好，介質(zhì)的磁化就達(dá)到飽和。 由于在每個(gè)磁疇中元磁矩已完全排列整齊，因此具有很

4、強(qiáng)的磁性，這就是為什么鐵磁質(zhì)的磁性比順磁質(zhì)強(qiáng)得多的原因。介質(zhì)里的摻雜和內(nèi)應(yīng)力在磁化場(chǎng)去掉后阻礙磁疇恢復(fù)到原來(lái)的退磁狀態(tài)，從而造成磁滯現(xiàn)象。,南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系,《磁性材料》實(shí)驗(yàn),鐵磁性是與磁疇結(jié)構(gòu)分不開(kāi)的。當(dāng)鐵磁體受到強(qiáng)烈的震動(dòng)，或在高溫下由于劇烈運(yùn)動(dòng)的影響，磁疇便會(huì)瓦解，這時(shí)與磁疇聯(lián)系的一系列鐵磁性質(zhì)（如高磁導(dǎo)率、磁滯等）全部消失。對(duì)于任何鐵磁物質(zhì)都有這樣一個(gè)臨界溫度，高過(guò)這個(gè)溫度鐵磁性就消失，變?yōu)轫槾判?，這個(gè)臨界溫度叫做

5、鐵磁質(zhì)的居里點(diǎn)Tc。磁疇的出現(xiàn)或消失，伴隨著晶格結(jié)構(gòu)的改變，所以是一個(gè)相變過(guò)程。居里點(diǎn)和熔點(diǎn)一樣，因物質(zhì)不同而不同，如鐵、鎳、鈷的居里點(diǎn)分別為1043K、631K、1393K。,南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系,《磁性材料》實(shí)驗(yàn),磁介質(zhì)的磁化規(guī)律可用磁感應(yīng)強(qiáng)度B、磁化強(qiáng)度M和磁場(chǎng)強(qiáng)度H來(lái)描述，它們滿足以下關(guān)系：B = ?0 (H+M)= ( Xm+1) ?0H= ?r?0H = ?H式中，?0＝4π×10-7亨利/米為真空

6、磁導(dǎo)率，Xm為磁化率，?r為相對(duì)磁導(dǎo)率，是一個(gè)無(wú)量綱的系數(shù)，?為絕對(duì)磁導(dǎo)率。對(duì)于順磁性介質(zhì)，磁化率Xm>0，?r略大于1；對(duì)于抗磁性介質(zhì)，Xm>1，所以?r >>1。,南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系,《磁性材料》實(shí)驗(yàn),圖3 磁化曲線和μ-H曲線 　　 圖4 μ-T曲線,南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系,《磁性材料》實(shí)驗(yàn),圖3是典型的磁化曲線（B-H曲線），它反映了鐵磁質(zhì)的共同磁化

7、特點(diǎn)：隨著H的增加，開(kāi)始時(shí)B緩慢的增加，此時(shí)?較??；而后隨H的增加B急劇增大，?也迅速增加；最后隨H增加，B趨向于飽和，而此時(shí)的?值在到達(dá)最大值后又急劇減小。圖3表明了磁導(dǎo)率?是磁場(chǎng)H的函數(shù)。從圖4中可看到，磁導(dǎo)率?還是溫度的函數(shù)，當(dāng)溫度升高到某個(gè)值時(shí)，鐵磁質(zhì)由鐵磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變成順磁狀態(tài)，在曲線突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度就是居里溫度Tc。,南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系,《磁性材料》實(shí)驗(yàn),在居里溫度Tc以下，對(duì)鐵磁材料磁化可得到磁滯回線。對(duì)磁體加熱

8、，磁滯回線收縮。當(dāng)溫度達(dá)到Tc時(shí)，磁滯回線消失，鐵磁相轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾畔?。在Tc附近，磁化強(qiáng)度M和溫度T的關(guān)系可用下式描述：M (T) = K (Tc-T)βlnM=lnK+βln(Tc-T)　其中β的典型值在0.3-0.4之間。,南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系,《磁性材料》實(shí)驗(yàn),3．實(shí)驗(yàn)儀器　磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀、數(shù)字萬(wàn)用表、示波器、加熱爐、水銀溫度計(jì)等。4．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟　1) 電路連接：選擇樣品，按實(shí)驗(yàn)儀上所給的電路接線圖連接好線

9、路。令R1＝2.5Ω，置勵(lì)磁電壓U于0位。UH和UB分別接示波器的“X輸入”和“Y輸入”，插孔“⊥”為接地公共端?！?) 樣品退磁：開(kāi)啟儀器電源開(kāi)關(guān)，對(duì)樣品進(jìn)行退磁，順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)電壓U的調(diào)節(jié)旋鈕，觀察數(shù)字電壓表可看到U從0逐漸增加增至最大，然后逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)電壓U的調(diào)節(jié)旋鈕，將U逐漸從最大值調(diào)為0，這樣做的目的是消除剩磁，確保樣品處于磁中性狀態(tài)，即B＝H＝0。,南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系,《磁性材料》實(shí)驗(yàn),3) 退磁后，令R1

10、＝2.5Ω，觀察樣品的在50HZ交流信號(hào)下的磁滯回線：開(kāi)啟示波器電源，調(diào)節(jié)示波器上“X”、“Y”位移旋鈕，使光點(diǎn)位于坐標(biāo)網(wǎng)格中心，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓U和示波器的X和Y軸靈敏度，使顯示屏上出現(xiàn)大小合適、美觀的磁滯回線圖形（若圖形頂部出現(xiàn)編織狀的小環(huán)，這時(shí)可降低U予以消除），從已標(biāo)定好的示波器上讀取UX(UH)、UY(UB)值（峰值），計(jì)算相應(yīng)的H、B和M。4) 用電爐加熱樣品，并用水銀溫度計(jì)測(cè)量溫度。磁滯回線隨著溫度的升高而縮小，在居里溫度

11、時(shí)，磁滯回線消失，至此直觀而清楚的觀測(cè)了鐵磁到順磁的相變?nèi)^(guò)程，并測(cè)得鐵磁材料樣品的居里溫度Tc。觀測(cè)5個(gè)溫度（包括居里溫度，此時(shí)M＝0）下的磁滯回線，計(jì)算相應(yīng)的B、H和M，逐點(diǎn)描繪作M-T和lnM-ln(Tc-T)關(guān)系曲線，求出β。,南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系,《磁性材料》實(shí)驗(yàn),5．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄　1) 作M-T關(guān)系曲線　2) 作lnM-ln(Tc-T)關(guān)系曲線，由lnM=lnK+βln(Tc-T)，求出β。6．思考題