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1、会计学1无损检测技术无损检测技术(jsh)与应用与应用第一页，共131页。第一节第一节 基本基本(jbn)术语术语无损检测是指在不损伤和破坏材料、机器和结构物的情况下，对它们的物理性质、机械性能以及内部结构等进行检测的一种方法，是探测其内部或外表的缺陷(伤痕)的现代(xindi)检验技术。宏观与微观；定性与定量2第2页/共131页第二页，共131页。第二节第二节 无损检测的目无损检测的目的的(md)和任务和任务n n一、无损检测的目的n n 1确保工件或设备质量，保证设备安全运行n n 用无损检测来保证产品质量，使之在规定的使用条件下，在预期的使用寿命内，产品的部分或整体都不会发生破损，从而防
2、止设备和人身事故。这就是无损检测最重要的目的之一。n n n n 2改进制造工艺 n n 无损检测不仅要把工件中的缺陷检测出来，而且应该帮助其改进制造工艺。例如，焊接某种压力容器，为了确定焊接规范，可以根据预定的焊接规范制成试样，然后用射线照相检查试样焊缝，随后根据检测结果(ji gu)，修正焊接规范，最后确定能够达到质量要求的焊接规范。n n n n 3降低制造成本n n 通过无损检测可以达到降低制造成本的目的。例如，焊接某容器，不是把整个容器焊完后才无损检测，而是在焊接完工前的中间工序先进行无损检测，提前发现不合格的缺陷，及时进行修补。这样就可以避免在容器焊完后，由于出现缺陷而整个容器不合
3、格，从而节约了原材料和工时费，达到降低制造成本的目的。3第3页/共131页第三页，共131页。二、无损检测的应用范围二、无损检测的应用范围(fnwi)和应用特点和应用特点（一）检测范围（一）检测范围 1 1组合件的内部结构或内部组成情况的检查组合件的内部结构或内部组成情况的检查 2 2材料、铸锻件和焊中缺陷缝的检查材料、铸锻件和焊中缺陷缝的检查 (1)(1)质量评定质量评定 (2)(2)寿命评定寿命评定 3 3材料和机器的计量检测材料和机器的计量检测 通过定量的测定材料和机器的变形量或腐蚀量来确定能不能继通过定量的测定材料和机器的变形量或腐蚀量来确定能不能继续使用。例如，用超声波测厚仪来测定容
4、器续使用。例如，用超声波测厚仪来测定容器(rngq)(rngq)的腐蚀量，通的腐蚀量，通过射线照相来测定原子反应堆用过的燃料棒的变形量、喷气发动机过射线照相来测定原子反应堆用过的燃料棒的变形量、喷气发动机叶片的变形量等。叶片的变形量等。4 4材质的无损检测材质的无损检测 无损检测可以用来验证材料品种是否正确，是否按规定进行处无损检测可以用来验证材料品种是否正确，是否按规定进行处理，例如，可采用电磁感应法来进行材质混料的分选和材料热处理理，例如，可采用电磁感应法来进行材质混料的分选和材料热处理状态的判别。状态的判别。5 5表面处理层的厚度测定表面处理层的厚度测定 确定各种表面层的深度和厚度。例如
5、，用电磁感应检测法可以确定各种表面层的深度和厚度。例如，用电磁感应检测法可以测定渗碳淬火层的深度和镀层的厚度。测定渗碳淬火层的深度和镀层的厚度。6 6应变测试应变测试4第4页/共131页第四页，共131页。(二)应用特点1无损检测要与破坏性检测相配合 无损检测的最大特点是在不损伤材料、工件和机器结构物的前提下来进行检测的。但是无损检测不能代替破坏性检测。2正确选用实施无损检测的时间 在进行无损检测时，必须根据无损检测的目的，正确选用无损检测实施的时间。例如，要检查高强钢焊缝有无(yu w)延迟裂纹，无损检测实施时间，就应安排在焊接后一昼夜以后进行。又如，要检查热处理工艺是否正确，就应将无损检测
6、实施时间放在热处理后进行。从上述例子说明，只有正确的选用实施无损检测时间，才能正确评价产品质量。3正确选用最适当的无损检测方法 无损检测在应用中，由于检测方法本身特点所限，缺陷不能完全检出。为了提高检测结果的可靠性，必须在检测前，根据被检物的材质、加工种类、加工过程或使用过程，预计可能产生什么种类、什么形状的缺陷，在什么部位、什么方向产生；根据以上种种情况分析，然后根据无损检测方法各自的特点选择最合适的检测方法。4综合应用各种无损检测方法 在无损检测应用中，必须认识到任何一种无损检测方法都不是万能的，每种无损检测方法都有它自己的优点，也有它的缺点。因此，在无损检测的应用中，如果可能，不要只采用
7、一种无损检测方法，而应尽可能多的同时采用几种方法，以便保证各种检测方法互相取长补短，从而取得更多的信息。另外，还应利用无损检测以外的其他检测所得的信息，利用有关材料、焊接、加工工艺的知识及产品结构的知识，综合起来进行判断。在无损检测的应用中，还应充分的认识到，检测的目的不是片面的追求那种过高要求的产品“高质量”，而是在保证充分安全性的同时要保证产品的经济性。只有这样，无损检测应用才是一种正确的应用。各种无损检测方法的区别见表121。应特别指出的是，射线检测和超声检测不能互为代替，因为两者各有侧重功能。虽然标准中曾有过可以互为代替使用的规定。现行规定：选择超声波检测时，还可对超声波检测部位作射线
8、检测复验，选择射线探伤时也可进行超声波检测复验。5第5页/共131页第五页，共131页。常规无损常规无损(w s(w s n)n)检测方法有：检测方法有：超声检测超声检测 Ultrasonic Testing Ultrasonic Testing（缩写（缩写 UT UT）；）；射线检测射线检测 Radiographic Testing Radiographic Testing（缩写（缩写 RT RT）；）；磁粉检测磁粉检测 Magnetic particle Testing Magnetic particle Testing（缩写（缩写 MT MT）；）；渗透检验渗透检验 Penetrant
9、Testing Penetrant Testing（缩写（缩写 PT PT）；）；涡流检测涡流检测Eddy current TestingEddy current Testing（缩写（缩写 ET ET）；）；目视检测目视检测 Visual Testing Visual Testing（缩写（缩写 VT VT）；）；非常规无损非常规无损(w s(w s n)n)检测技术有：检测技术有：声发射声发射 Acoustic Emission(Acoustic Emission(缩写缩写 AE)AE)；泄漏检测泄漏检测 Leak Testing Leak Testing（缩写（缩写 LT LT）；）；衍
10、射波时差法超声检测技术衍射波时差法超声检测技术Time of Flight Diffraction(Time of Flight Diffraction(缩写缩写 ToFD)ToFD)；导波检测导波检测Guided Wave TestingGuided Wave Testing；光全息照相光全息照相Optical HolographyOptical Holography；红外热成象红外热成象Infrared ThermographyInfrared Thermography；微波检测微波检测 Microwave Testing Microwave Testing 第6页/共131页第六页，共1
11、31页。7第7页/共131页第七页，共131页。8第8页/共131页第八页，共131页。9第9页/共131页第九页，共131页。常用的无损检测常用的无损检测(jin c)方法方法10第10页/共131页第十页，共131页。四、缺陷与材料强度四、缺陷与材料强度四、缺陷与材料强度四、缺陷与材料强度(qingd)(qingd)(qingd)(qingd)的关系、缺陷的的关系、缺陷的的关系、缺陷的的关系、缺陷的种类和产生原因种类和产生原因种类和产生原因种类和产生原因 缺陷是工件或材料中不连续部分。缺陷对材料强度缺陷是工件或材料中不连续部分。缺陷对材料强度有影响，但缺陷对材料强度有什么影响，不能一概而论
12、有影响，但缺陷对材料强度有什么影响，不能一概而论(y gi r ln)(y gi r ln)，应根据材料在使用中的应力、温度和，应根据材料在使用中的应力、温度和环境条件，以及缺陷的形状、大小、方向、位置等而定。环境条件，以及缺陷的形状、大小、方向、位置等而定。另外，根据试样所作的强度试验结果，往往同实际的机另外，根据试样所作的强度试验结果，往往同实际的机器和结构物在使用条件下的损坏情况大不相同。所以，器和结构物在使用条件下的损坏情况大不相同。所以，不能片面地相信强度试验结果，以此来推断其损坏情况。不能片面地相信强度试验结果，以此来推断其损坏情况。当然，在评定有缺陷的材料的牢固性时，应参考有关缺
13、当然，在评定有缺陷的材料的牢固性时，应参考有关缺陷材料强度的试验研究结果。还应吸收迄今所知的引起陷材料强度的试验研究结果。还应吸收迄今所知的引起过损坏事故的教训。并对下述因素进行研究来确定质量过损坏事故的教训。并对下述因素进行研究来确定质量评定时所用的缺陷评定标准。评定时所用的缺陷评定标准。11第11页/共131页第十一页，共131页。缺陷(quxin)的评定原材料和焊缝所处的应力条件和环境条 件；缺陷(quxin)的位置和方向、大小；材料本身的厚度；原材料和焊缝的机械性能；有缺陷(quxin)部位的残余应力情况；各种使用条件的情况。12第12页/共131页第十二页，共131页。对于材料使用条
14、件(tiojin)情况应加以研究的有以下几方面的材料性能：材料的静态强度；材料的蠕变断裂强度；材料的疲劳强度；材料的抗脆性断裂强度；材料的抗腐蚀性；材料的抗泄漏性。13第13页/共131页第十三页，共131页。防止损坏的基本对策是：选择合适品种的材料是避免损坏的最主要手段应首先从材料品种上消除损坏的因素。另外还要研究可能发生损坏的形式，以创造防止损坏的各种条件。由于缺陷与材料强度的关系极其复杂，只靠试样来进行缺陷与材料强度之间关系的研究是不够的，如果要将强度试验结果作为重要的判断基础，则应将试样各方面的条件做得尽可能接近实物。小试样的试验结果并不是不能利用，它作为研究缺陷与材料关系的大致趋向和
15、在一定条件大致的标准还是有效的，但不能只依赖于它。为了正确地进行无损检测，必须预计(yj)原材料和焊缝中的缺陷种类。14第14页/共131页第十四页，共131页。各种材料中出现的主要缺陷及其产生的原因如下：各种材料中出现的主要缺陷及其产生的原因如下：(一一)铸件中常见的缺陷及其产生原因铸件中常见的缺陷及其产生原因(1)(1)气孔气孔 溶化的金属在凝固时，其中的气体来不及逸出而在金属表面或内部发生的圆孔。溶化的金属在凝固时，其中的气体来不及逸出而在金属表面或内部发生的圆孔。(2)(2)夹渣夹渣 浇铸时由于铁水包中的溶渣没有与铁水分离浇铸时由于铁水包中的溶渣没有与铁水分离(fnl)(fnl)，混进
16、铸件而形成的缺陷。，混进铸件而形成的缺陷。(3)(3)夹砂夹砂 浇铸时由于砂型的砂子剥落，混进铸件而形成的缺陷。浇铸时由于砂型的砂子剥落，混进铸件而形成的缺陷。(4)(4)密集气孔密集气孔 铸件在凝固时由于金属的收缩而发生的气孔群。铸件在凝固时由于金属的收缩而发生的气孔群。(5)(5)冷夹冷夹主要是由于浇铸温度太低，金属熔液在铸模中不能充分流动，在铸件表面生成冷夹。主要是由于浇铸温度太低，金属熔液在铸模中不能充分流动，在铸件表面生成冷夹。(6)(6)缩孔和疏松缩孔和疏松 铸件在凝固过程中由于收缩以及补缩不足所产生的缺陷叫缩孔。而沿铸件中心呈多铸件在凝固过程中由于收缩以及补缩不足所产生的缺陷叫缩
17、孔。而沿铸件中心呈多孔性组织分布叫中心疏松。孔性组织分布叫中心疏松。(7)(7)裂纹裂纹 由于材质和铸件形状不适当，在凝固时因收缩应力而产生的裂纹。在高温下产生的由于材质和铸件形状不适当，在凝固时因收缩应力而产生的裂纹。在高温下产生的叫热裂纹，在低温下产生的叫冷裂纹。叫热裂纹，在低温下产生的叫冷裂纹。(8)(8)型芯撑和内冷铁型芯撑和内冷铁 型芯的支撑物遗留在铸件内，或者为了增加凝固速度所用的冷铁和内冷铁附着，遗型芯的支撑物遗留在铸件内，或者为了增加凝固速度所用的冷铁和内冷铁附着，遗留于铸件上形成的缺陷。留于铸件上形成的缺陷。15第15页/共131页第十五页，共131页。(二)锻件中常见的缺陷
18、及其产生的原因(1)缩孔和缩管铸锭时，因冒口切除不当，铸模设计不良，以及铸造条件(温度、浇注速度、浇注方法、熔炼等)不良所产生的缩孔没有被锻合而遗留下来的缺陷。(2)非金属夹杂物炼钢时，由于熔炼不良以及铸锭不良，混进硫化物和氧化物等非金属夹渣物或者耐火材料等所造成的缺陷。(3)夹渣由于铸锭时，溶渣和耐火材料或夹渣时太多，留在锻件中形成的缺陷。(4)龟裂锻钢件表面上出现(chxin)的较浅的龟状表面缺陷叫龟裂。它是由于原材料成分不当，原材料表面情况不好，加热温度和加热时间不合适而产生的。16第16页/共131页第十六页，共131页。(5)锻造裂纹锻造裂纹种类很多，在工件中的位置也不同，在实际生产
19、中遇到的锻造裂纹有以下几类：由缩孔残余或二次缩孔在锻造时扩大而形成的裂纹；由皮下气泡引起的裂纹；柱状晶引起的裂纹；轴芯晶间裂纹引起的锻造裂纹；非金属夹杂物引起的裂纹；锻造加热不当引起的裂纹；终锻温度过低引起的裂纹。(6)白点 白点是一种微细的裂纹，它是由于钢水中含氢，锻造过程中有残余变形应力，热加工后产生(chnshng)的相变应力和热应力等产生(chnshng)的。由于白点在纵向断口上呈银白色的圆点或椭圆形斑点，故称该种缺陷为白点。17第17页/共131页第十七页，共131页。(三)轧材中常见的缺陷及其产生原因 轧材的种类包括管、棒、板、丝、钢轨和各种型材，由于形状和材质的不同，出现的缺陷分
20、布规律和缺陷特征也不同，以下(yxi)就钢材中几大类轧材简要说明。(1)钢管中的缺陷及其产生原因 纵裂纹，由于加热不良，热处理加工不当而引起的缺陷。横裂纹，由于轧制过于剧烈，加热过度或者冷态加工过多而引起的缺陷。表面划伤，由于加工时的导管和拉模的形状不良以及烧伤等所引起的缺陷。翘皮和折叠，由于圆钢表面夹人杂质或有偏析，或有非金属夹渣物、裂纹等缺陷，钢管穿孔时产生这种缺陷。夹杂和分层，由于圆钢内部有非金属夹杂物和片状缺陷在穿孔轧制时就产生夹杂和分层缺陷。18第18页/共131页第十八页，共131页。(2)钢棒和型材中的缺陷及其产生(chnshng)原因 内部缺陷。钢棒内部缺陷有由于钢锭中缩孔未压
21、合而产生(chnshng)的芯部裂纹，还有严重偏析和偏析小裂纹，白点性小裂纹，非金属夹渣杂物等，这些缺陷都有一定的延伸性，当轧制比较大时，缺陷也会变为长形，这些缺陷由于延展作用，大多变为星状或扁平状。表面缺陷。表面缺陷有材料性缺陷和轧制不当造成的缺陷两类。材料性缺陷是指由钢坯表面和近表面层的气孔和非金属夹杂物为起点造成的线状缺陷(发纹)和小裂纹以及夹杂物引起的翘皮。轧制不当引起的缺陷是指由轧辊加工时造成的折叠和皱纹，轧制不当还引起过烧和鳞状折叠。过烧是由于加热太激烈使表面脆化，因而在压延时产生(chnshng)小鳞状裂纹。鳞状折叠是由于轧制的模子过紧加上材料表面粗糙而造成的。19第19页/共1
22、31页第十九页，共131页。(3)钢板中的缺陷及其产生原因 钢板按其厚度可分为薄板和中厚板，其厚度划分上没有严格的界限。参照我国有关检测标准，薄板一般指厚度在5mm以下的钢板。6-120mm厚度的钢板为中厚板。钢板中的缺陷与锻件和型材中的缺陷大致相同，主要是由材料引起的和轧制引起的两类。这些缺陷主要有分层、裂纹、线状缺陷、非金属夹杂物、夹渣、折叠、偏析等。由于钢板的轧制是平面压下的长方面轧制，轧制时有非常大的压下比，所以形成的缺陷平行于表面(biomin)的平面状缺陷较多。这类缺陷按其严重程度可分为三类：全剥离的层状裂缝或分层，属大缺陷。在某个小范围内分层的，属中缺陷。有点状夹杂集合但未形成裂
23、纹的叫小缺陷。20第20页/共131页第二十页，共131页。(四四)钢焊缝中常见的缺陷及其产生原因钢焊缝中常见的缺陷及其产生原因 焊接接头缺陷的类型很多，按在接头中焊接接头缺陷的类型很多，按在接头中的位置可分为外部缺陷和内部缺陷两大类。的位置可分为外部缺陷和内部缺陷两大类。1 1外部缺陷外部缺陷 位于接头的表面，用肉眼或低倍放大镜就位于接头的表面，用肉眼或低倍放大镜就可看到，如咬边、焊瘤、弧坑、表面气孔和可看到，如咬边、焊瘤、弧坑、表面气孔和裂纹等。这类缺陷不加讨论裂纹等。这类缺陷不加讨论(t(t oln)oln)。2 2内部缺陷内部缺陷 位于接头内部，必须通过各种无损检测位于接头内部，必须通
24、过各种无损检测方法或破坏性试验才能发现。内部缺陷有未方法或破坏性试验才能发现。内部缺陷有未焊透、未熔合、夹渣、气孔、裂纹等。焊透、未熔合、夹渣、气孔、裂纹等。21第21页/共131页第二十一页，共131页。内部缺陷产生的原因：内部缺陷产生的原因：(1)(1)未焊透未焊透 焊接时接头根部未完全熔透的现象。在底片呈现规焊接时接头根部未完全熔透的现象。在底片呈现规则性的黑色条纹，成直线连续状或间断分布，边缘则性的黑色条纹，成直线连续状或间断分布，边缘(binyun)(binyun)整齐。产生的原因：坡口钝边间隙太小，焊整齐。产生的原因：坡口钝边间隙太小，焊接电流太小或运条速度过快。坡口角度小，运条角
25、度不接电流太小或运条速度过快。坡口角度小，运条角度不对及电弧偏吹等。对及电弧偏吹等。未焊透缺陷不仅降低了焊接接头的机械性能，而且在未焊透缺陷不仅降低了焊接接头的机械性能，而且在未焊透处的缺口和端部形成应力集中点承载后往往会引未焊透处的缺口和端部形成应力集中点承载后往往会引起裂纹，是一种危险性缺陷，这类缺陷一般是不允许存起裂纹，是一种危险性缺陷，这类缺陷一般是不允许存在的。在的。(2)(2)未熔合未熔合 熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间，未完熔焊时，焊道与母材之间或焊道与焊道之间，未完全熔化结合的部分，点焊时母材与母材之间未完全熔化全熔化结合的部分，点焊时母材与母材之间未完全熔化结合的部分
26、。产生原因：坡口不干净，焊速太快，电流结合的部分。产生原因：坡口不干净，焊速太快，电流过小或过大，焊条角度不对，电弧偏吹等。过小或过大，焊条角度不对，电弧偏吹等。22第22页/共131页第二十二页，共131页。n n(3)夹渣、夹杂(jiz)物n n 夹渣是指焊后残留在焊缝中的熔渣。夹杂(jiz)物是指由于焊接冶金产生的、焊后残留在焊缝金属中的非金属杂质(如氧化物、硫化物等)。两种缺陷是焊缝中常见的缺陷，其形状有条状和点状，外形不规则。产生原因：焊接电流过小，速度过快，熔渣来不及浮起，被焊边缘和各层焊缝清理不干净，基本金属和焊接材料化学成分不当，含硫、磷量较多等。23第23页/共131页第二十
27、三页，共131页。n n(4)气孔n n 在焊接过程中，由于焊缝内部存在的或外界侵入的气体。在熔池金属凝固之前来不及逸出，而残留在焊缝金属内所形成的空穴，按分布情况可分为(fn wi)单个气孔、密集气孔和链状气孔。产生原因：焊材未按规定温度烘干，焊条药皮变质脱落、焊芯锈蚀、焊丝清理不干净、手工焊时电流过大、电弧过长；埋弧焊时电压过高或网路电压波动太大，气体保护焊时保护气体纯度低等，均易产生气孔。n n 气孔的危害：焊缝中存在气孔，既破坏了焊缝金属的致密性，又使焊缝有效截面积减少，降低了机械性能。特别是存在链状气孔时，对弯曲和冲击韧性会有比较明显的降低。24第24页/共131页第二十四页，共13
28、1页。n n(5)焊接裂纹n n 按焊接裂纹产生的时间和温度的不同，裂纹可分热裂纹、冷裂纹和再热裂纹。n n 热裂纹。热裂纹又称结晶裂纹，产生在结晶时的冷却过程中，即焊缝金属由结晶开始一直到723以前所产生的裂纹。主要发生在晶界，为沿晶裂纹，具有晶间破坏性质，大多数产生在焊缝金属中心和弧坑处，纵向为多。当裂纹贯穿表面与外界空气相通时，截面(jimin)有明显的氧化色，即发蓝或发黑色。25第25页/共131页第二十五页，共131页。n n 冷裂纹。冷裂纹是焊后冷却产生的，有时在焊接后立即出现，有时在焊后几天、几周甚至更长的时间才出现，此种裂纹也称延迟裂纹或氢致裂纹。常产生在热影响区熔合线附近的过
29、热区中，裂纹平行于熔合线，穿晶扩展。裂纹表面无明显氧化色彩，属腑睦断口。n n 冷裂纹成因：在焊件热影响区的低塑性组织，焊接接头中的氢气和焊接应力三个成因素(氢、淬硬组织、应力)的共同(gngtng)作用下，导致冷裂纹的产生。26第26页/共131页第二十六页，共131页。n n 热裂纹成因：冶金因素焊接时熔池的冷却速度很快，很容易造成偏析(所谓偏析就是合金中纯金属或其他杂质分布不均匀的现象，杂质集中(jzhng)等)。被偏析出来的物质，大多数为低熔点共晶和杂质，它们的熔点比焊缝金属低，在结晶过程中以“液态间层”存在。n n 力的因素当焊缝金属开始冷却时，体积要缩小，由于焊缝受热不均匀，周围冷
30、金属势必阻止它的收缩，故必然产生拉应力，这种拉应力随着温度的降低而增大，如果这种拉应力是在结晶尚未完毕，且有“液态间层”时呈现，就必然产生“热裂纹”。27第27页/共131页第二十七页，共131页。28 再热裂纹。焊后焊件在一定温度范围内再次加热(ji r)(消除应力热处理或其他加热(ji r)过程)而产生的裂纹。第28页/共131页第二十八页，共131页。(五)维修检查中常见的缺陷及其产生原因 1疲劳裂纹 一种只加一次不足以引起损坏的应力，而把它反复作用在工件上则可能产生裂纹，这就是疲劳裂纹。疲劳裂纹中有接触应力疲劳裂纹、热应力疲劳裂纹以及腐蚀疲劳裂纹等。2应力裂纹 将处于腐蚀剂中的金属材料
31、表面加上较高的静态拉应力时则产生应力腐蚀裂纹，一般认为它与氢脆性有关。3热应力裂纹 由于金属从加热到冷却或者由于多次反复从热到冷的热应力所引起的裂纹。4摩擦腐蚀 两接触面处在微小振动和互相摩擦状态时，其微小部分反复进行结合与分离，同时与周围环境发生化学反应，引起摩擦腐蚀。5空化浸蚀 液体(yt)中产生的气泡破灭时，对材料表面进行冲击，产生空化浸蚀。29第29页/共131页第二十九页，共131页。第二章第二章 电磁电磁(dinc)基本理论基本理论n n第二节第二节第二节第二节 磁学基础磁学基础磁学基础磁学基础n n一一一一 、物质的磁化、物质的磁化、物质的磁化、物质的磁化n n 1 1物质磁化的
32、物理物质磁化的物理物质磁化的物理物质磁化的物理(wl(wl)本质本质本质本质n n 如果在磁场中放人一种物质，就会发现，不管是什如果在磁场中放人一种物质，就会发现，不管是什如果在磁场中放人一种物质，就会发现，不管是什如果在磁场中放人一种物质，就会发现，不管是什么物质都会使物质所占空间的磁场发生变化。这就是说，么物质都会使物质所占空间的磁场发生变化。这就是说，么物质都会使物质所占空间的磁场发生变化。这就是说，么物质都会使物质所占空间的磁场发生变化。这就是说，物质在磁场中由于受磁场的作用表现出一定的磁性，这物质在磁场中由于受磁场的作用表现出一定的磁性，这物质在磁场中由于受磁场的作用表现出一定的磁性
33、，这物质在磁场中由于受磁场的作用表现出一定的磁性，这种现象就称为磁化。种现象就称为磁化。种现象就称为磁化。种现象就称为磁化。n n 可以把物质分为三类：使磁场减弱的物质称为抗磁可以把物质分为三类：使磁场减弱的物质称为抗磁可以把物质分为三类：使磁场减弱的物质称为抗磁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；使磁性物质；使磁场略有增强的物质称为顺磁性物质；使磁性物质；使磁场略有增强的物质称为顺磁性物质；使磁性物质；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。场强烈增加的物质称为铁磁性物质。场强烈增加的物质称为铁磁性物质。场强
34、烈增加的物质称为铁磁性物质。n n 近代物近代物近代物近代物 理证明，每个电子都在作循轨和自旋运动，理证明，每个电子都在作循轨和自旋运动，理证明，每个电子都在作循轨和自旋运动，理证明，每个电子都在作循轨和自旋运动，物质的磁性就是由于电子的这些运动而产生的。物质的磁性就是由于电子的这些运动而产生的。物质的磁性就是由于电子的这些运动而产生的。物质的磁性就是由于电子的这些运动而产生的。30第30页/共131页第三十页，共131页。2 2电子电子电子电子(dinz(dinz)的两种运动产生的磁矩的两种运动产生的磁矩的两种运动产生的磁矩的两种运动产生的磁矩31电子的循轨运动可看作(kn zu)是一个闭合
35、电流，由此将产生一个一个磁矩，称为轨道磁矩m0，其大小可用下式表示 式中：e电子的电荷；h普朗克常数；c电子的质量；c光速(un s)；l轨道角动量。第31页/共131页第三十一页，共131页。32 原子核也是有磁矩的，不过(bgu)它的磁矩很小，约为电子磁矩的 12000，故通常不予考虑第32页/共131页第三十二页，共131页。n n 既然电子是有磁矩的，那么原子有没有磁矩呢既然电子是有磁矩的，那么原子有没有磁矩呢?理论证理论证明当原子中的一个电子层排满时，这个层电子磁矩的总和就明当原子中的一个电子层排满时，这个层电子磁矩的总和就等于零，若一个原子的电子层未排满，这时电子磁矩的总和等于零，
36、若一个原子的电子层未排满，这时电子磁矩的总和就不为零，该原子就有磁矩了。当原子结合成分子时，其外就不为零，该原子就有磁矩了。当原子结合成分子时，其外层电子磁矩要发生变化，所以分子磁矩不是各单个原子磁矩层电子磁矩要发生变化，所以分子磁矩不是各单个原子磁矩的总和。的总和。n n由于不同的原子具有不同的磁矩，故当由这些原子组成不同由于不同的原子具有不同的磁矩，故当由这些原子组成不同的物质时，物质表现出不同的磁性。通常在无外加磁场时，的物质时，物质表现出不同的磁性。通常在无外加磁场时，物体本身的自旋和轨道磁矩之和为零，所以物体对外是不显物体本身的自旋和轨道磁矩之和为零，所以物体对外是不显磁性的。但如对
37、物体加上一个外磁场，物体被磁化之后，就磁性的。但如对物体加上一个外磁场，物体被磁化之后，就表现出一定表现出一定(ydng)(ydng)的磁性。通常，用磁化强度矢量的磁性。通常，用磁化强度矢量M(M(单位单位为为A Am)m)来表示物体被磁化的强弱，其大小为来表示物体被磁化的强弱，其大小为33第33页/共131页第三十三页，共131页。34第34页/共131页第三十四页，共131页。35第35页/共131页第三十五页，共131页。2.抗磁性与顺磁性抗磁性与顺磁性n n(1)(1)抗磁性抗磁性n n 物质为什么会有抗磁性呢物质为什么会有抗磁性呢?可以说是由于电子的循轨运可以说是由于电子的循轨运动在
38、外磁场的作用产生动在外磁场的作用产生(ch(ch nshng)nshng)了抗磁磁矩所造成的。了抗磁磁矩所造成的。n n设有两个电子，其循轨运动的平面和磁场设有两个电子，其循轨运动的平面和磁场HH的方向垂直，而的方向垂直，而其循轨运动的方向相反，如图其循轨运动的方向相反，如图221221所示。当无外磁场时，所示。当无外磁场时，电子的循轨运动相当于一个闭合电流，由此产生电子的循轨运动相当于一个闭合电流，由此产生(ch(ch nshng)nshng)的磁矩的磁矩n nv v36第36页/共131页第三十六页，共131页。37第37页/共131页第三十七页，共131页。n n 电子在做循轨运动时，必
39、然要受到一个向心力电子在做循轨运动时，必然要受到一个向心力F F，见图，见图2221(a)21(a)，当加上一个外磁场后，在磁场作用下将产生一个附加，当加上一个外磁场后，在磁场作用下将产生一个附加力力FF，即洛仑兹力，其方向和，即洛仑兹力，其方向和F F是一致的。这无疑等于使向心力是一致的。这无疑等于使向心力增加，变为增加，变为F+FF+F。已知向心力。已知向心力F Fmr2mr2，可以认为，可以认为mm和和r r是不变是不变的，故只能设想，当向心力增加时，必然导致电子循轨运动的的，故只能设想，当向心力增加时，必然导致电子循轨运动的角速度角速度；发生变化，即；发生变化，即F+AFF+AFmr(
40、+)2mr(+)2。增加一个增加一个，从，从式式(2211)(2211)可得增加一个可得增加一个m0,m0m0,m0与轨道磁矩的与轨道磁矩的m0m0方向相同，方向相同，但与外磁场的方向相反。同理可以证明，图但与外磁场的方向相反。同理可以证明，图2211(b)2211(b)中相反中相反方向运动的电子产生与外加磁场相反的方向运动的电子产生与外加磁场相反的m0m0。对于一个电子产。对于一个电子产生的生的m0m0n n 既然抗磁性是由电子在轨道运动场产生的，而任何物质都存在既然抗磁性是由电子在轨道运动场产生的，而任何物质都存在电子的轨道运动，故可以说任何物质在外磁场作用下都要产生电子的轨道运动，故可以
41、说任何物质在外磁场作用下都要产生抗磁矩。但应注意，并不能说任何物质都是抗磁性物质。因为抗磁矩。但应注意，并不能说任何物质都是抗磁性物质。因为原子除了原子除了(ch le)(ch le)在外磁场作用下会产生抗磁矩之外，还存在产在外磁场作用下会产生抗磁矩之外，还存在产生顺磁矩的轨道和自旋磁矩。因此，只有那些抗磁性大于顺磁生顺磁矩的轨道和自旋磁矩。因此，只有那些抗磁性大于顺磁性的物质才成为抗磁性物质。性的物质才成为抗磁性物质。38第38页/共131页第三十八页，共131页。（2）顺磁性）顺磁性39第39页/共131页第三十九页，共131页。n n 顺磁物质的单个原子是有磁矩的，原子的磁矩在外顺磁物质
42、的单个原子是有磁矩的，原子的磁矩在外磁场的作用磁场的作用(zuyng)(zuyng)下产生顺磁。对于金属来说，当下产生顺磁。对于金属来说，当点阵离子的顺磁矩和自由电子的顺磁矩大于外加磁场下点阵离子的顺磁矩和自由电子的顺磁矩大于外加磁场下产生的抗磁矩时，即表现为顺磁物质。但是由于热运动产生的抗磁矩时，即表现为顺磁物质。但是由于热运动的影响，在无外加磁场时其原子磁矩的取向是无序的，的影响，在无外加磁场时其原子磁矩的取向是无序的，也就是磁矩沿着所有可能的方向分布，如图也就是磁矩沿着所有可能的方向分布，如图222(a)222(a)所所示。图中箭头是指磁矩的方向，此时物质的总磁矩为零。示。图中箭头是指磁
43、矩的方向，此时物质的总磁矩为零。假如将物质放在磁场中，在外磁场作用假如将物质放在磁场中，在外磁场作用(zuyng)(zuyng)下，下，原子磁矩排向磁场方向，总磁矩便大于零了，即表现为原子磁矩排向磁场方向，总磁矩便大于零了，即表现为正向磁化，如图正向磁化，如图222(b)222(b)和和222(c)222(c)所示。应当指出，所示。应当指出，当温度约为室温或室温以上范围时，顺磁物质的原子或当温度约为室温或室温以上范围时，顺磁物质的原子或分子热运动产生无序的倾向是很大的，所以进行磁化十分子热运动产生无序的倾向是很大的，所以进行磁化十分困难，故室温下磁化很微弱，其磁化率约为分困难，故室温下磁化很微
44、弱，其磁化率约为106106。40第40页/共131页第四十页，共131页。3铁磁性铁磁性n n 铁磁性与抗磁性或顺磁性有很大差异。对于铁磁介质，不太大的外磁场便会使它达到磁饱和(boh)。另外，铁磁质的磁化与温度的关系也很奇特，在某一温度丁：之下，随着温度的上升，饱和(boh)磁化强度逐渐减小；当达到丁c温度时便降为零。而在丁c以上，铁磁质变成为一般的顺磁物质，其磁化率与温度的关系亦服从居里外斯定律，即41第41页/共131页第四十一页，共131页。42第42页/共131页第四十二页，共131页。（1）磁畴）磁畴n n 铁磁物质和顺磁物质一样，原子有固有磁矩，但它们的磁化根铁磁物质和顺磁物质
45、一样，原子有固有磁矩，但它们的磁化根本不相同。铁磁物质的原子磁矩主要本不相同。铁磁物质的原子磁矩主要(zh(zh yo)yo)来源于电子的自旋磁来源于电子的自旋磁矩。在没有外磁场的条件下，铁磁质中的电子自旋磁矩可以在小范矩。在没有外磁场的条件下，铁磁质中的电子自旋磁矩可以在小范围内围内“自发地自发地”排列起来，形成一个个小的排列起来，形成一个个小的“自发磁化区自发磁化区”，这种，这种自发磁化区称为自发磁化区称为“磁畴磁畴”。根据量子力学理论，电子自旋磁矩会自。根据量子力学理论，电子自旋磁矩会自发形成磁化区的原因是：铁磁质的内部相邻原子的电子之间有一种发形成磁化区的原因是：铁磁质的内部相邻原子的
46、电子之间有一种静电交换作用，正是这静电交换作用，正是这 种静电交换作用迫使各原子的磁矩平行或反种静电交换作用迫使各原子的磁矩平行或反平行排列，这种作用的效果好像有一很强的磁场作用在各个原子磁平行排列，这种作用的效果好像有一很强的磁场作用在各个原子磁矩上一样，使得一个小区域内的各个原子的磁矩按同一方向排列，矩上一样，使得一个小区域内的各个原子的磁矩按同一方向排列，从而形成磁畴。从而形成磁畴。43第43页/共131页第四十三页，共131页。44第44页/共131页第四十四页，共131页。(2)技术磁化技术磁化(chu)的基本过程的基本过程n n 铁磁物质在外磁场的作用下显示出磁性称为技术磁化。对于
47、铁磁物质在技术磁化铁磁物质在外磁场的作用下显示出磁性称为技术磁化。对于铁磁物质在技术磁化过程中，外磁场的作用只是把已经过程中，外磁场的作用只是把已经(y(y jing)jing)高度磁化的磁畴磁矩从各个不同的方向转到高度磁化的磁畴磁矩从各个不同的方向转到磁场方向或接近磁场方向，因而在磁场方向有合成量，这样对外就显示出磁性。磁场方向或接近磁场方向，因而在磁场方向有合成量，这样对外就显示出磁性。n n 技术磁化是通过磁畴的两种变动进行的，一种是磁畴磁矩的转动，一种是畴壁的技术磁化是通过磁畴的两种变动进行的，一种是磁畴磁矩的转动，一种是畴壁的位移位移(畴壁是指相邻磁畴的分界层畴壁是指相邻磁畴的分界层
48、)。45第45页/共131页第四十五页，共131页。n n 不加外磁场不加外磁场H(H(磁化磁化(chu)(chu)场场)时，铁磁物质中的磁畴磁矩取向杂乱无时，铁磁物质中的磁畴磁矩取向杂乱无章，它们产生的磁场相互抵消，对外不显宏观磁性，如图章，它们产生的磁场相互抵消，对外不显宏观磁性，如图224(a)224(a)所示。所示。若将铁磁物质放进外磁场中磁化若将铁磁物质放进外磁场中磁化(chu)(chu)，在较弱的外磁场作用下，那些磁，在较弱的外磁场作用下，那些磁化化(chu)(chu)方向和外磁场方向一致或比较接近的磁畴的体积逐渐扩大，而邻方向和外磁场方向一致或比较接近的磁畴的体积逐渐扩大，而邻近
49、的那些磁矩方向与外磁场方向相反的磁畴的体积则逐渐缩小，因此扩大体近的那些磁矩方向与外磁场方向相反的磁畴的体积则逐渐缩小，因此扩大体积的磁畴和缩小体积的磁畴之间的畴壁相当于向某个方向移动，这就是畴壁积的磁畴和缩小体积的磁畴之间的畴壁相当于向某个方向移动，这就是畴壁的位移，如图的位移，如图224(b)224(b)、(c)(c)所示。随着外磁场的逐渐增大，与磁畴方向不所示。随着外磁场的逐渐增大，与磁畴方向不一致的磁畴磁矩将逐渐转向磁场方向，当外磁场增大到一定值，所有磁畴的一致的磁畴磁矩将逐渐转向磁场方向，当外磁场增大到一定值，所有磁畴的磁矩都沿外磁场排列，这时铁磁体的磁化磁矩都沿外磁场排列，这时铁磁
50、体的磁化(chu)(chu)就达到了饱和，如图就达到了饱和，如图2224(d)24(d)、(e)(e)所示。或者说，在一定大小的磁场作用下，通过畴壁位移和畴所示。或者说，在一定大小的磁场作用下，通过畴壁位移和畴矩转动，铁磁质会被磁化矩转动，铁磁质会被磁化(chu)(chu)到所有磁畴的自发磁化到所有磁畴的自发磁化(chu)(chu)强度强度MM，都，都与外磁场一致取向，而成为单磁畴，这种状态叫做饱和磁化与外磁场一致取向，而成为单磁畴，这种状态叫做饱和磁化(chu)(chu)状态。状态。使铁磁物质开始达到饱和磁化使铁磁物质开始达到饱和磁化(chu)(chu)状态的磁场叫饱和磁场玎，饱和状状态的磁