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1 绪论1

1.1 磁致伸缩材料的物理效应1

1.1.1 线性磁致伸缩效应（焦耳效应）1

1.1.2 维拉里效应2

1.1.3 魏德曼效应2

1.1.4 魏德曼效应逆效应2

1.1.5 阻尼效应2

1.1.6 △E效应2

1.1.7 拉胀效应3

1.2 磁致伸缩材料的功能特性4

1.2.1 将电（磁）能转换为机械能的特性4

1.2.2 将机械能转化为电磁能的特性4

1.2.3 扭转力矩与电磁能的相互转换4

1.2.4 将机械能转化为热能的特性4

1.2.5 快速锁定与快速解锁机械系统5

1.3 磁致伸缩材料的发展5

1.3.1 磁致伸缩材料5

1.3.2 磁致伸缩材料的发展5

1.4 磁致伸缩材料的种类和技术性能比较7

1.4.1 磁致伸缩材料的种类7

1.4.2 磁致伸缩材料的性能比较7

1.5 磁致伸缩材料在新技术中的运用10

参考文献11

2 磁致伸缩材料磁学理论概要12

2.1 磁致伸缩现象与磁学基础12

2.2 磁学量的定义与单位制13

2.3 原子的电子结构与原子磁矩μJ15

2.3.1 磁性的普遍性15

2.3.2 孤立原子的电子结构15

2.3.3 电子轨道磁矩μl18

2.3.4 电子的自旋磁矩μS19

2.3.5 孤立原子的原子磁矩μJ20

2.3.6 晶体中的原子磁矩20

2.4 自发磁化理论要点22

2.4.1 3d金属与合金的自发磁化与磁有序22

2.4.2 稀土金属的自发磁化与磁有序23

2.4.3 稀土金属间化合物的自发磁化25

2.5 铁磁体中的磁自由能与磁畴结构26

2.5.1 静磁能EH27

2.5.2 磁晶各向异性能EK27

2.5.3 退磁场与退磁场能Ed30

2.5.4 磁致伸缩与磁弹性能32

2.5.5 磁畴壁与畴壁能Ew32

2.5.6 磁畴的形成和磁畴结构34

2.6 技术磁化与反磁化过程36

2.6.1 技术磁化与反磁化过程37

2.6.2 畴壁位移的磁化过程38

2.6.3 磁矩转动的磁化过程39

2.7 磁性材料的磁学性能41

2.7.1 饱和磁化强度与饱和磁感应强度41

2.7.2 剩磁42

2.7.3 矫顽力44

2.7.4 磁化率与磁导率49

2.7.5 磁化强度与温度的关系及居里温度52

2.8 交流磁场中的磁化过程与动态磁参量53

2.8.1 铁磁性材料在交流磁场中的磁化特点53

2.8.2 动态磁导率54

2.8.3 铁磁材料在交流磁场中的能量损耗56

参考文献61

3 磁致伸缩与磁弹性62

3.1 磁致伸缩与磁状态变化的关系62

3.1.1 直接交换作用能引起的磁致伸缩效应62

3.1.2 外磁场中磁化产生的线性磁致伸缩应变63

3.1.3 力致磁致伸缩效应63

3.2 多晶材料线致磁致伸缩应变λs的表述63

3.3 立方晶系单晶体的线性磁致伸缩应变表达65

3.3.1 立方晶系单晶体线性磁致伸缩应变的方程式65

3.3.2 磁致伸缩应变系数3/2λ100和3/2λ111的测量66

3.4 弹性变形与弹性常数68

3.4.1 概述68

3.4.2 材料简单受力的弹性变形与弹性常数68

3.4.3 复杂应力作用下材料的弹性变形与弹性常数70

3.5 立方结构材料的磁弹性能以及磁致伸缩应变与弹性常数的关联75

3.5.1 概述75

3.5.2 简单立方晶体材料的磁弹性能76

3.5.3 体心立方晶体与面心立方晶体材料的磁弹性能Eme77

3.5.4 立方晶体弹性能78

3.5.5 线性磁致伸缩应变与磁弹性常数的关联78

3.6 立方结构铁磁材料的应力能与应力各向异性80

3.6.1 应力能的表述80

3.6.2 立方结构材料应力引起的各向异性82

3.7 材料磁致伸缩应变λs的理论值与影响实际值的因子84

3.7.1 3/2λ100（或3/2λ111）的物理意义84

3.7.2 晶体取向因子αGO84

3.7.3 磁畴结构因子βDO85

3.7.4 γ（H/Hs）因子86

3.8 磁致伸缩材料应用的原理和对材料的性能（技术参量）的要求87

3.8.1 磁致伸缩材料的应用原理87

3.8.2 磁致伸缩驱动棒的能量转换原理和磁机械耦合常数k3388

3.8.3 使用时对磁致伸缩材料性能的要求91

参考文献93

4 稀土铁系磁致伸缩材料95

4.1 稀土磁致伸缩材料的发展95

4.2 RFe2系材料的相图，稀土铁化合物的结构与内禀磁特性97

4.2.1 Tb-Fe、Dy-Fe、Sm-Fe二元系相图97

4.2.2 Tb-Dy的二元相图99

4.2.3 R-Fe二元化合物的晶体结构和磁致伸缩99

4.3 （Tb，Dy）Fe2合金的磁晶各向异性的相互补偿106

4.4 TbxDy1-xFe2稀土巨磁致伸缩材料的制备与晶体生长原理108

4.4.1 概述108

4.4.2 熔体定向凝固制造单晶或取向多晶材料的技术109

4.4.3 熔体定向凝固制备轴向取向柱晶材料的原理112

4.4.4 Tb-Dy-Fe区熔定向凝固时轴向择优生长方向113

4.5 Tb-Dy-Fe合金的晶体定向凝固晶体轴向取向与商品巨磁致伸缩材料117

4.5.1 Tb-Dy-Fe合金单晶体磁致伸缩应变的各向异性117

4.5.2 非取向多晶与取向多晶体的磁致伸缩应变118

4.5.3 Tb-Dy-Fe合金的［112］轴向取向的磁致伸缩应变λ112119

4.5.4 Tb-Dy-Fe合金的［110］轴向取向的磁致伸缩应变λ110120

4.5.5 商品稀土巨磁致伸缩材料及其特性122

4.6 稀土巨磁致伸缩材料（Tb，Dy）Fey的显微结构124

4.6.1 Tb-Dy-Fe三元合金的相图和相组成124

4.6.2 Tb0.2 7～0.3 5Dy0.7 3～0.6 5Fe1.9 5合金铸态的显微组织126

4.6.3 重稀土元素Tb和Dy在组成相中的分布128

4.6.4 Tb-Dy-Fe磁致伸缩材料的晶体缺陷128

4.7 稀土巨磁致伸缩材料Tb-Dy-Fe的热处理131

4.7.1 概述131

4.7.2 一般热处理131

4.7.3 热处理前后材料的显微组织结构的变化132

4.7.4 磁场热处理133

4.8 Tb-Dy-Fe的畴结构与磁化过程138

4.8.1 概述138

4.8.2 Tb-Dy-Fe的畴结构138

4.8.3 磁化过程与磁致伸缩应变140

4.9 预压应力与磁致伸缩材料的性能141

4.9.1 概述141

4.9.2 预压应力的大小对λ-H曲线的影响141

4.9.3 预压应力大小对k33曲线的影响142

4.9.4 三种轴向取向样品形成90°畴结构所需的预压应力143

4.10 其他稀土磁致伸缩材料144

4.11 Tb-Dy-Fe材料的稳定性146

4.11.1 化学稳定性146

4.11.2 环境稳定性146

参考文献149

5 Fe-Ga系磁致伸缩材料基础153

5.1 概述153

5.2 Fe基磁致伸缩合金相图153

5.2.1 Fe-Ga二元系平衡相图与相关系153

5.2.2 Fe-Ga二元系亚稳定（非平衡）相图与相关系155

5.2.3 Fe-Al与Fe-Be平衡相图155

5.2.4 Fe-Al与Fe-Ga二元系亚稳相图的比较157

5.3 Fe-Ga二元系存在的相158

5.3.1 A2相的晶体结构158

5.3.2 B2相的晶体结构159

5.3.3 DO3相的晶体结构160

5.3.4 DO19相晶体结构160

5.3.5 L12相晶体结构（或称Cu3Au型结构）161

5.4 Fe-Ga合金中各种相的物理性质161

5.4.1 晶体结构参数161

5.4.2 力学性能162

5.4.3 磁学性能与磁致伸缩性能163

5.4.4 不同相的居里温度166

5.5 二元系Fe100-xGax的性能与Ga含量x的关系166

5.5.1 3/2λ100和3/2λ111与Ga含量的关系166

5.5.2 其他性能与Ga含量的关系169

5.6 Fe-Ga合金的相转变与相关系176

5.6.1 讨论Fe-Ga合金相变的必要性176

5.6.2 富Fe区（x=5at.％～35at.％Ga）相转变的特点177

5.6.3 富Fe区（x=5at.％～35at.％Ga）Fe-Ga合金的恒温相变过程178

5.6.4 富Fe区（x=5at.％～37at.％Ga）合金以不同速度冷却的相变179

5.6.5 Fe-Ga合金中存在多种相的识别182

5.7 A2相固溶体的微结构190

5.7.1 研究A2相固溶体的微结构的必要性190

5.7.2 Fe-Ga合金A2相固溶体的微结构的特征和研究手段191

5.7.3 采用HRXRD和高能透射XRD技术，研究A2相固溶体结构的不均匀性191

5.7.4 A2相固溶体结构不均匀性的本质195

5.8 Fe-Ga合金磁致伸缩应变与成分、显微结构及磁弹性的关系201

5.8.1 决定A（成分）区内3/2λ100变化及第一个峰值的主要因素201

5.8.2 决定B（成分）区内3/2λ100变化的主要因素203

5.8.3 决定C（成分）区内3/2λ100变化及第二个峰值的主要因素203

5.8.4 决定D（成分）区内3/2λ100变化的主要因素206

5.9 第三组元对Fe-Ga单晶合金磁致伸缩性能的影响207

5.9.1 概述207

5.9.2 少量添加间隙原子（C、N、B）对Fe-Ga合金单晶体性能的影响207

5.9.3 添加取代Ga的金属元素对Fe-Ga合金单晶样品性能的影响210

5.9.4 添加过渡族金属元素对Fe-Ga-M合金性能的影响213

5.10 Fe-Ga合金单晶体的畴结构215

5.10.1 研究磁畴结构的目的215

5.10.2 样品制备方法对MFM磁畴结构的形貌的影响215

5.10.3 决定Fe-Ga合金磁畴结构的因子218

5.10.4 观察磁畴方法（技术）的选择220

5.11 Fe-Ga合金织构表述222

5.11.1 铁基合金单晶体磁致伸缩应变的各向异性和材料的织构222

5.11.2 材料织构的表述223

5.11.3 晶体取向分布函数（ODF）225

5.12 Fe-Ga材料应力退火处理和磁场退火处理228

5.12.1 应力退火处理工艺228

5.12.2 应力退火对Fe-Ga合金磁致伸缩性能的影响228

5.12.3 Fe-Ga应力退火处理感生的单轴各向异性的来源与模拟计算232

5.12.4 Fe-Ga合金的磁场退火处理237

5.12.5 Fe-Ga合金磁场退火与应力退火结果的比较241

5.13 Fe-Ga磁致伸缩材料性能的压力效应242

5.13.1 研究压力效应的必要性242

5.13.2 Fe-Ga合金单晶体＜100＞晶向的压应力效应243

5.13.3 Fe-Ga合金单晶体＜110＞晶向的压应力效应249

参考文献250

6 Fe-Ga轧制薄板磁致伸缩材料255

6.1 概述255

6.1.1 薄板厚度与能量损耗的关系255

6.1.2 Fe-Ga系合金冷轧板工艺流程255

6.2 Fe-Ga合金的脆性和塑性的改进257

6.2.1 Fe-Ga合金脆性的原因257

6.2.2 改善Fe-Ga合金脆性的途径258

6.3 Fe-Ga合金的形变、加工硬化与微结构储能260

6.3.1 Fe-Ga合金的形变260

6.3.2 Fe-Ga合金的加工硬化264

6.3.3 Fe-Ga合金变形后的显微结构与储能267

6.4 Fe-Ga合金冷变形组织的回复与再结晶268

6.4.1 冷轧变形态的显微结构268

6.4.2 形变金属的回复269

6.4.3 再结晶270

6.5 Fe-Ga合金的二次再结晶与再结晶织构272

6.5.1 概述272

6.5.2 Fe-Ga合金二次再结晶织构和性能的研究进展273

6.6 （100）与（110）取向晶粒反常长大的机理276

6.6.1 第二相沉淀质点阻碍初次再结晶晶粒正常长大276

6.6.2 晶粒表面能差277

6.6.3 晶界能（高能晶界与csl晶界）277

6.7 决定Fe-Ga合金冷轧薄板二次再结晶时（110）或（100）晶粒AGG的因素277

6.7.1 二次再结晶退火温度、时间和气氛的影响278

6.7.2 升温速率对Fe-Ga合金二次再结晶织构发展的影响280

6.7.3 硫的偏聚对Fe-Ga合金二次再结晶晶粒AGG的影响281

6.7.4 氧原子在Fe-Ga合金冷轧板表面偏聚浓度对织构类型和3/2λs的影响286

6.7.5 高能晶界与csl晶界对Fe-Ga合金冷轧板二次再结晶晶粒AGG和织构的影响288

6.8 Fe-Ga合金织构的完整性对3/2λs的影响290

6.9 柱状晶轧制薄板的二次再结晶293

6.10 Fe-Ga合金冷拔丝材与魏德曼效应297

6.10.1 概述297

6.10.2 Fe-Ga合金丝材的制备工艺298

6.10.3 Fe83Ga17合金丝λ//与再结晶退火工艺的关系299

6.10.4 Fe83Ga17合金丝λ//与显微组织及织构的关系300

6.10.5 Fe-Ga合金丝的魏德曼效应301

6.10.6 魏德曼效应扭转角θ与合金成分，周向场及轴向场的关系303

6.10.7 磁致伸缩应变与魏德曼效应的关系307

参考文献309

7 Fe-Ga系取向多晶块体材料312

7.1 概述312

7.2 取向多晶Fe-Ga合金棒材的制备方法与工艺313

7.3 Fe-Ga合金柱状晶生长过程中Ga浓度的变化314

7.3.1 Fe-Ga合金柱状晶生长过程中固／液Ga浓度的变化314

7.3.2 Fe-Ga合金取向多晶（柱状）体生长过程溶质原子（Ga）的分配系数314

7.3.3 Fe-Ga合金取向多晶（柱状）棒状样品沿长度方向Ga浓度的变化316

7.4 Fe-Ga合金定向凝固棒取向晶体（柱状）生长的条件317

7.5 Fe-Ga合金定向凝固（柱晶）棒材磁致伸缩性能与成分、微结构和工艺之间的关系318

7.5.1 定向凝固（DS）和定向生长（DG）的研究进展318

7.5.2 Fe-Ga合金定向凝固样品的晶体取向与λ//的关系319

7.5.3 制造方法与工艺因素对Fe-Ga取向多晶（柱状）棒的λ//（λs）的影响322

7.6 Ga含量与第三组元对取向多晶棒材性能与显微组织的影响329

7.6.1 Ga含量对定向凝固取向多晶Fe100-xGax合金棒材λs的影响329

7.6.2 第三组元添加对Fe-Ga合金取向多晶棒材性能的影响329

参考文献335

8 Fe-Al与Fe-Co磁致伸缩材料337

8.1 Fe-Al合金磁致伸缩材料337

8.1.1 Fe-Al二元合金相图、相结构与相转变337

8.1.2 Fe-Al二元合金的性能337

8.1.3 决定Fe100-xAlx合金3/2λ100的主要因素339

8.1.4 Fe100-xAlx合金性能与温度的依赖关系341

8.1.5 添加少量碳（C）对Fe-Al单晶合金磁致伸缩应变λ100的影响342

8.1.6 Fe-Al合金冷轧薄板的织构343

8.1.7 Fe-Al合金晶体取向块体样品的磁致伸缩性能344

8.1.8 非取向多晶Fe-Al合金样品的磁性能与热处理工艺的关系345

8.1.9 Fe-Al合金材料生产的难题346

8.2 Fe-Co合金磁致伸缩材料347

8.2.1 Fe-Co合金的相图、相结构与相转变347

8.2.2 Fe-Co合金磁致伸缩应变与Co含量的关系349

8.2.3 Fe-Co合金其他性能与Co含量的关系353

8.2.4 Fe-Co-V合金磁致伸缩性能与工艺的关系354

参考文献357

9 铁氧体磁致伸缩材料基础358

9.1 概述358

9.2 金属氧化物的自发磁化——间接交换作用359

9.3 铁氧体磁性材料的晶体结构361

9.4 铁氧体材料金属阳离子的占位362

9.5 铁氧体材料的分子磁矩364

9.5.1 3d金属离子的电子数和离子磁矩364

9.5.2 铁氧体材料的分子磁矩365

9.5.3 铁氧体饱和磁化强度与温度的关系及居里温度366

9.6 单晶铁氧体的磁致伸缩应变、磁晶各向异性常数K1和其他磁参数368

9.7 铁氧体磁性材料的制造原理、方法与工艺373

9.7.1 制造铁氧体材料的步骤373

9.7.2 铁氧体粉末的反应合成法374

9.7.3 传统粉末冶金法374

参考文献377

10 钴铁氧体磁致伸缩材料378

10.1 钴铁氧体磁致伸缩材料的特点与发展378

10.2 钴铁氧体单晶体的磁晶各向异性和磁致伸缩378

10.2.1 钴铁氧体（CoFe2O4）单晶体的磁晶各向异性379

10.2.2 Co0.8 Fe2.2 O4单晶体磁化行为381

10.2.3 钴铁氧体单晶体的磁致伸缩应变382

10.2.4 钴铁氧体单晶体与非取向多晶体磁致伸缩λ-H曲线的比较384

10.3 钴铁氧体相图385

10.4 Co含量x对CoxFe3-xO4相结构、显微结构和性能的影响386

10.4.1 贫Co（x＜1.0）钴铁氧体的结构与性能386

10.4.2 富Co铁氧体Co1.7 3Fe1.2 7O4的斯皮诺朵（spinodal）分解387

10.4.3 钴铁氧体CoxFe3-xO4（1.0≤x≤2.6 ）的离子占位与磁性能389

10.5 元素取代对钴铁氧体结构和性能的影响393

10.5.1 Al取代对CoAlxFe2-xO4的影响393

10.5.2 Zn取代对CoZnxFe2-xO4结构与性能的影响395

10.5.3 Ge取代对Co1+xGexFe2-2xO4结构与性能的影响397

10.5.4 Ni取代对Co1-xNixFe2O4结构与性能的影响398

10.5.5 Cr取代对CoCrxFe2-xO4结构与性能的影响399

10.5.6 Nb取代对Co-Nb铁氧体结构和性能的影响400

10.5.7 稀土元素取代对CoRexFe2-xO4结构与性能的影响400

10.6 制备方法与工艺对钴铁氧体结构与性能的影响403

10.6.1 球磨法404

10.6.2 溶胶-凝胶法404

10.6.3 燃烧合成法405

10.6.4 化学共沉淀法407

10.7 成型压力对钴铁氧体性能的影响407

10.8 烧结条件对钴铁氧体结构与性能的影响409

10.8.1 微米量级粉末与纳米量级粉末具有不同的烧结行为409

10.8.2 微米量级粉末制备钴铁氧体结构与显微组织的变化411

10.8.3 微米量级粉末压结体在真空中烧结的结构与性能的关系413

10.9 一般热处理对钴铁氧体结构与性能的影响414

10.10 磁场退火处理（FA）对钴铁氧体结构与磁性的影响418

10.10.1 磁场退火处理时样品与磁场的相互关系及工艺方法418

10.10.2 单晶体的磁场处理418

10.10.3 FA对微米量级粉末烧结样品结构与性能的影响419

10.10.4 FA对纳米量级粉末烧结样品的结构与性能的影响422

10.10.5 FA提高钴铁氧体材料性能的原因分析424

参考文献429

附录433

附录A 磁学及相关物理量的单位换算表433

附录B 元素周期表435

附录C 元素周期表中各元素孤立（基态）原子的电子分布436

附录D 相关术语缩写、中英文对照表及索引439

附录E 化学元素名称英汉对照表442