常用鑄鐵的微觀組織分析-南京理工大學

1、南京理工大學材料科學與工程系,《磁性材料》實驗,實驗二 鐵磁相變和居里溫度的直接觀測1．實驗目的1) 了解鐵磁物質在居里溫度點由鐵磁物質（鐵磁相）轉變?yōu)轫槾盼镔|（順鐵磁相）的相變過程微觀機理。2) 測定鐵磁材料樣品的居里溫度。,南京理工大學材料科學與工程系,《磁性材料》實驗,2．實驗原理由于外加磁場的作用，物質中狀態(tài)發(fā)生變化，產生新的磁場的現(xiàn)象稱為磁性。物質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、化的物質叫做磁介質，在鐵磁質中相鄰電子之間存在著一種很強的“交換耦合”作用，在無外磁場的情況下，它們的自旋磁矩能在一個個微小區(qū)域內“自發(fā)地”整齊排列起來而形成自發(fā)磁化小區(qū)域，稱為磁疇。在未經磁化的鐵磁質中，雖然每一磁疇內部都有確定的自發(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鐵磁質不顯磁性。圖1和圖2分別是加磁場前后的多晶磁疇結構。,南京理工大學材料科學與工程系,《磁性材料》實驗,圖1 未加磁場多晶磁疇結構,圖

3、2 加磁場時多晶磁疇結構,南京理工大學材料科學與工程系,《磁性材料》實驗,當鐵磁質處于外磁場中時，那些自發(fā)磁化方向和外磁場方向成小角度的磁疇其體積隨著外加磁場的增大而擴大并使磁疇的磁化方向進一步轉向外磁場方向；另一些自發(fā)磁化方向和外磁場方向成大角度的磁疇其體積則逐漸縮小，這時鐵磁質對外呈現(xiàn)宏觀磁性。當外磁場增大時，上述效應相應增大，直到所有磁疇都沿外磁場排列好，介質的磁化就達到飽和。 由于在每個磁疇中元磁矩已完全排列整齊，因此具有很

4、強的磁性，這就是為什么鐵磁質的磁性比順磁質強得多的原因。介質里的摻雜和內應力在磁化場去掉后阻礙磁疇恢復到原來的退磁狀態(tài)，從而造成磁滯現(xiàn)象。,南京理工大學材料科學與工程系,《磁性材料》實驗,鐵磁性是與磁疇結構分不開的。當鐵磁體受到強烈的震動，或在高溫下由于劇烈運動的影響，磁疇便會瓦解，這時與磁疇聯(lián)系的一系列鐵磁性質（如高磁導率、磁滯等）全部消失。對于任何鐵磁物質都有這樣一個臨界溫度，高過這個溫度鐵磁性就消失，變?yōu)轫槾判裕@個臨界溫度叫做

5、鐵磁質的居里點Tc。磁疇的出現(xiàn)或消失，伴隨著晶格結構的改變，所以是一個相變過程。居里點和熔點一樣，因物質不同而不同，如鐵、鎳、鈷的居里點分別為1043K、631K、1393K。,南京理工大學材料科學與工程系,《磁性材料》實驗,磁介質的磁化規(guī)律可用磁感應強度B、磁化強度M和磁場強度H來描述，它們滿足以下關系：B = ?0 (H+M)= ( Xm+1) ?0H= ?r?0H = ?H式中，?0＝4π×10-7亨利/米為真空

6、磁導率，Xm為磁化率，?r為相對磁導率，是一個無量綱的系數(shù)，?為絕對磁導率。對于順磁性介質，磁化率Xm>0，?r略大于1；對于抗磁性介質，Xm>1，所以?r >>1。,南京理工大學材料科學與工程系,《磁性材料》實驗,圖3 磁化曲線和μ-H曲線 　　 圖4 μ-T曲線,南京理工大學材料科學與工程系,《磁性材料》實驗,圖3是典型的磁化曲線（B-H曲線），它反映了鐵磁質的共同磁化

7、特點：隨著H的增加，開始時B緩慢的增加，此時?較?。欢箅SH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，而此時的?值在到達最大值后又急劇減小。圖3表明了磁導率?是磁場H的函數(shù)。從圖4中可看到，磁導率?還是溫度的函數(shù)，當溫度升高到某個值時，鐵磁質由鐵磁狀態(tài)轉變成順磁狀態(tài)，在曲線突變點所對應的溫度就是居里溫度Tc。,南京理工大學材料科學與工程系,《磁性材料》實驗,在居里溫度Tc以下，對鐵磁材料磁化可得到磁滯回線。對磁體加熱

8、，磁滯回線收縮。當溫度達到Tc時，磁滯回線消失，鐵磁相轉變?yōu)轫槾畔?。在Tc附近，磁化強度M和溫度T的關系可用下式描述：M (T) = K (Tc-T)βlnM=lnK+βln(Tc-T)　其中β的典型值在0.3-0.4之間。,南京理工大學材料科學與工程系,《磁性材料》實驗,3．實驗儀器　磁滯回線實驗儀、數(shù)字萬用表、示波器、加熱爐、水銀溫度計等。4．實驗內容及步驟　1) 電路連接：選擇樣品，按實驗儀上所給的電路接線圖連接好線

9、路。令R1＝2.5Ω，置勵磁電壓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。　2) 樣品退磁：開啟儀器電源開關，對樣品進行退磁，順時針方向轉動電壓U的調節(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，然后逆時針方向轉動電壓U的調節(jié)旋鈕，將U逐漸從最大值調為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。,南京理工大學材料科學與工程系,《磁性材料》實驗,3) 退磁后，令R1

10、＝2.5Ω，觀察樣品的在50HZ交流信號下的磁滯回線：開啟示波器電源，調節(jié)示波器上“X”、“Y”位移旋鈕，使光點位于坐標網(wǎng)格中心，調節(jié)勵磁電壓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)，這時可降低U予以消除），從已標定好的示波器上讀取UX(UH)、UY(UB)值（峰值），計算相應的H、B和M。4) 用電爐加熱樣品，并用水銀溫度計測量溫度。磁滯回線隨著溫度的升高而縮小，在居里溫度

11、時，磁滯回線消失，至此直觀而清楚的觀測了鐵磁到順磁的相變全過程，并測得鐵磁材料樣品的居里溫度Tc。觀測5個溫度（包括居里溫度，此時M＝0）下的磁滯回線，計算相應的B、H和M，逐點描繪作M-T和lnM-ln(Tc-T)關系曲線，求出β。,南京理工大學材料科學與工程系,《磁性材料》實驗,5．實驗數(shù)據(jù)記錄　1) 作M-T關系曲線　2) 作lnM-ln(Tc-T)關系曲線，由lnM=lnK+βln(Tc-T)，求出β。6．思考題