摘 要 鋼鐵制品在日常生活中隨處可見;鋼鐵材料具有磁性也是廣為人知的生活常識。實用的鋼鐵材料種類繁多，磁性的強弱也有顯著差別。本文旨在解析這個生活常識背后所涉及的物理知識?？傮w來看，鋼鐵材料主要是含有少量碳元素的鐵碳合金，此外還可能包含少量其他合金元素。合金元素的含量及種類對鋼鐵材料磁性的影響很大。本文主要結合鐵碳二元合金相圖介紹了不同含碳量鋼鐵材料的組分，并據(jù)此對材料磁性的變化進行了定性分析。概括來說，鐵磁性主要來自于材料中可能包含的三種組分：鐵素體、滲碳體和馬氏體，而奧氏體則僅具有順磁性。其中馬氏體是一種處于亞穩(wěn)狀態(tài)的非平衡相，無法標記在平衡相圖中。本文也可以作為學習和應用相圖的一個教學案例。

關鍵詞 磁性;相圖;鋼鐵;鐵碳合金

鐵被稱為“金屬之王”，是基礎建設和工業(yè)發(fā)展各領域中最不可或缺的原材料，其應用范圍之廣甚至影響到日常生活的方方面面。比如鐵釘、鐵盒、鐵鍋等等鐵制品在日常生活中司空見慣，而這些物品“能夠被磁鐵所吸引”也幾乎是大家共知的生活常識。細心的人還會注意到，同一磁鐵對不同鐵制品的吸引力會有顯著不同。上述現(xiàn)象說明，鐵制品具有鐵磁性，而且不同鋼鐵材料的鐵磁性是有強弱差異的。為什么會這樣呢？ 下文將從分析鋼鐵材料的組分入手說明其鐵磁性的來源，并對磁性差異的原因進行解釋。

實用鋼鐵材料通常并非純鐵，而是含有少量C元素的Fe-C合金，甚至還可能包含其他的合金元素。為簡單起見，下面主要分析以碳為合金元素的鋼鐵材料。首先依據(jù)Fe-C合金二元相圖[1]，對碳含量不同的幾種處于平衡態(tài)的典型Fe-C 合金的組分（即物相）及其磁性進行介紹和分析，然后擴展到分析處于亞穩(wěn)態(tài)的Fe-C合金的磁性，舉例說明摻雜其他合金元素對材料磁性的影響。二元相圖是熱力學[2]和物理化學[3]等大學本科課程的重要內容;本文的分析和討論可以作為學習和應用二元相圖的一個教學案例。

1 關于順磁性和鐵磁性的簡單介紹

為了理解鋼鐵材料的磁性，需要首先介紹一下磁性的基本概念。磁性是磁介質所表現(xiàn)的一種基本屬性。所謂磁介質，是指能夠與磁場發(fā)生作用的物質[4]。依據(jù)磁介質對磁場的響應不同，又可以把磁介質分為鐵磁性、順磁性、抗磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性介質等不同種類[5，6]。鋼鐵材料能夠被磁鐵所吸引，這是鐵磁性和順磁性介質的一種表現(xiàn)。

對于順磁性介質，可以想象構成介質的每個單元（分子或原子）都攜帶一個固有磁矩（磁偶極子）μ，但是這些磁矩的取向是雜亂無章的（可以認為磁矩的雜亂取向是熱漲落所導致的，其混亂的程度由熵來衡量），各個磁矩矢量相互抵消，因此總體上并不顯示磁性。當存在外磁場時，磁矩與外磁場發(fā)生耦合，具有了磁勢能：-μ·B，其中B是磁場的磁感應強度。當磁矩與外磁場方向有一致取向時，磁勢能降低，因此在磁介質中就產生了與外磁場方向一致的凈磁矩。這個現(xiàn)象稱為磁化[4]。單位體積ΔV 介質的總磁矩定義為磁化強度：M =Σiμi／ΔV 。這種原本不顯示磁性，但是在外磁場中被誘導出與外磁場方向一致的磁化強度的介質，就是順磁性介質。當外磁場很弱時，M 通常與外磁場強度H 呈線性關系：M =χH ，其中χ 稱為介質的（順磁）磁化率。

對于鐵磁性介質（即鐵磁體），即使沒有外磁場，介質中的固有磁矩也已經呈現(xiàn)一致排列的趨勢，從而具有了一定的磁化強度：M ≠0。這種并非由外磁場誘導的磁化強度，稱為自發(fā)磁化強度。自發(fā)磁化產生的前提是磁矩之間必須存在某種相互作用（本文不討論該相互作用的微觀機制），使得當磁矩一致排列時，磁矩之間的相互作用能會降低。另一方面，磁矩一致排列導致熵減小以及自由能相應增加。磁矩一致排列的程度取決于二者的競爭。顯然，自發(fā)磁化強度M （T ）是溫度T的函數(shù);溫度越高，熱漲落的影響越大，自發(fā)磁化強度M （T）越小。M 趨近于零時所對應的臨界溫度Tc，稱為居里溫度。居里溫度之上，熱漲落完全克服了磁矩相互作用能的影響，系統(tǒng)轉變?yōu)轫槾判越橘|。自發(fā)磁化強度與溫度的關系可以由如下公式描述[2，5，6]

m =tanhm/t

其中，m =M （T ）/M （0），t=T/Tc。該公式很好地符合鐵、鈷和鎳等鐵磁介質的實驗結果[5，6]。

自發(fā)磁化強度M 和居里溫度Tc 是表征鐵磁性強弱的兩個重要參數(shù)。純鐵的居里溫度[5，6]是770℃（1043K），室溫（25℃或298K 附近）下的質量磁化強度[7]約為217JT-1 ·kg-1，絕對零度的質量磁化強度[5]約為221JT-1·kg-1。質量磁化強度是實驗測量中的慣用概念，表示單位質量介質的總磁矩，它與M 的比值等于物質的密度。

磁化后的介質本身就如同一塊磁鐵，能夠跟其他的磁鐵發(fā)生作用：同極相斥，異極相吸。力的大小正比于兩塊磁鐵磁化強度的乘積。當磁鐵靠近順磁性介質，在介質中誘導出與磁鐵極性方向一致的磁化強度，二者之間也會產生吸引作用。但由于順磁介質的磁化率χ 通常很小，誘導出的磁化強度非常微弱，因此與磁鐵之間的吸引作用小到可以忽略。

2 固態(tài)純相的磁性

現(xiàn)在開始討論鐵碳合金的磁性。實用鋼鐵材料中的含碳量通常較低，因此不需要考慮完整的Fe-C二元相圖，而是代之以Fe-Fe3C 相圖即可，如圖1 所示[1]。一般把含碳量質量百分比小于0.02%的鐵碳合金稱為工業(yè)純鐵;介于0.02%～2.11%之間的鐵碳合金稱為鋼;大于2.11%鐵碳合金則稱為鑄鐵。由圖1可見，雖然碳的含量不高，但它參與生成了新的物相（Fe3C），使得鋼鐵材料成為兩相共存的復相系統(tǒng)[2，3]，從而導致系統(tǒng)的磁性與純鐵相比發(fā)生了顯著改變。作為分析復相系統(tǒng)磁性的基礎，下面首先討論相圖中出現(xiàn)的幾個固態(tài)純相。

圖1中最左側的線代表純鐵。隨溫度由低到高，純鐵先后經歷三個固態(tài)相[1]：在912℃以下是體心立方（bcc）結構的α-Fe相;在912～1394℃溫度區(qū)間是面心立方（fcc）結構的γ-Fe相;1394～1538℃區(qū)間是bcc結構的δ-Fe相。1538℃是純鐵的熔點。如前所述，純鐵的居里溫度是770℃，此時處于α 相。居里溫度之上的α 相以及γ 相和δ相都是只具有順磁性。δ 相是高溫相，跟常溫下鐵制品的性質沒有關系，后面將不再涉及。

當摻入少量碳元素，碳原子可以填充在α-Fe和γ-Fe中形成間隙固溶體。固溶體屬于單一物相。碳溶于α-Fe中形成的固溶體稱為鐵素體，在相圖中標記為α 區(qū)。α-Fe的溶碳能力很差;在727℃時溶碳量最大，可達0.0218%（質量百分比，后文的溶解度均指質量比）;隨著溫度下降溶碳量逐漸減小，在600℃時溶碳量減小到約為0.0057%;室溫下溶碳量更是幾乎等于零。一般認為間隙碳原子對鐵的磁性影響不大，鐵素體的居里溫度跟純鐵相近，依舊約為770℃。碳溶于γ-Fe而形成的固溶體稱為奧氏體，在相圖中標記為γ 區(qū)。γ相是fcc結構，溶碳能力顯著強于bcc結構的α-Fe，最大溶解度可達2.11%，約為α-Fe的100倍。奧氏體和純鐵的γ 相一樣，依舊僅僅顯示順磁性。

圖1最右側的線代表滲碳體。這是鐵與碳形成的一種金屬化合物，化學式是Fe3C，碳在其中的占比為6.69%。滲碳體的結構是復雜的正交晶格，熔點為1227℃。值得指出的是，滲碳體是具有鐵磁性的[8，9]，居里溫度是210℃（483K），室溫下的飽和磁化強度約為125JT-1·kg-1。兩個參數(shù)都大約是純鐵的一半，其鐵磁性明顯弱于α-Fe。這是導致平衡狀態(tài)下鐵碳合金的磁性弱于純鐵的主要原因。

3 復相鐵碳合金的磁性

相圖中能夠顯示鐵磁性的復相區(qū)有兩個：727℃以上的鐵素體與奧氏體的共存區(qū)（α+γ）和727℃以下的鐵素體和滲碳體共存區(qū)（α+Fe3C）。兩個區(qū)都描述了兩個物相以某種比例混合的產物，混合比例可以依據(jù)“杠桿定則”來計算[2，3]。衡量系統(tǒng)總體磁化強度的基本思路是根據(jù)混合比例不同對兩相的磁化強度進行加權求和。以α+Fe3C區(qū)為例作一下定性分析：鐵素體在727℃以下一直具有鐵磁性，滲碳體則只有在210℃以下才對鐵磁性有貢獻。溫度越低系統(tǒng)的磁化強度越大。隨含碳量增加，鐵素體的貢獻減少，而滲碳體貢獻增加;由于滲碳體的磁化強度遠小于鐵素體，故系統(tǒng)的總磁化強度是逐漸減小的。由此可以判斷，鑄鐵的鐵磁性比鋼要弱得多。

下面重點分析兩個特殊含碳量的鐵碳合金：一個是共析點（S 點，含碳量0.77%，共析轉變溫度727℃）以下形成的共析體，稱為珠光體;另一個是共晶點（C 點，含碳量4.3%，共析轉變溫度1148℃）以下形成的共晶體，稱為萊氏體。一般來說，共析體和共晶體雖然是兩相（或多相）混合物，但跟一般的多相混合物相比，它們的組織結構要更加細密和均勻。

共析點S 是奧氏體轉變?yōu)榈蜏叵嗟呐R界點。奧氏體放出熱量，就會有鐵素體（含碳量0.0218%）和滲碳體Fe3C從中同時析出，形成在空間上以特定規(guī)律分布的混合物，被稱為珠光體，其中大約包含了88%的鐵素體和12%的滲碳體。由于鐵素體的居里溫度為770℃，高于共析轉變溫度，因此鐵素體一旦析出就會顯示鐵磁性。而滲碳體雖然在低溫下具有弱鐵磁性，但由于此時溫度高于其居里溫度，滲碳體尚處于順磁態(tài)。隨著溫度進一步降低，除了鐵素體的磁化強度會逐漸增大，滲碳體也會在溫度降到210℃時發(fā)生磁性相變而進入鐵磁態(tài)。常溫下的鐵素體和滲碳體都處于鐵磁相，但由于滲碳體的磁性弱于鐵素體，因此珠光體的整體磁性也會相應弱于等量的鐵素體，而強于滲碳體。

共晶點C是液態(tài)鐵發(fā)生凝固的轉變點。鐵水放出熱量，就會有奧氏體（含碳量2.11%）和滲碳體Fe3C同時結晶，產生的共晶體被稱為萊氏體，其中的奧氏體和滲碳體大約各占一半。在1148℃和727℃之間的奧氏體和滲碳體的機械混合物稱高溫萊氏體。其中奧氏體和滲碳體都是順磁性的。在727℃時，剩余的奧氏體剛好處于S 點的狀態(tài)。繼續(xù)釋放熱量，這部分奧氏體發(fā)生共析而產生珠光體。這種珠光體和滲碳體的混合物稱為低溫萊氏體，其本質上依舊是鐵素體和滲碳體的混合物。跟珠光體類似，溫度高于210℃，唯有鐵素體對鐵磁性有貢獻;溫度降到210℃以下，滲碳體也開始顯示鐵磁性。總體上萊氏體的鐵磁性弱于珠光體。

最后需要指出，上述“加權求和計算磁化強度”的分析方法只是一種粗略的估計，并不十分可靠，因為兩相以不同的方式混合，或者說形成不同的金相組織結構，可能會導致總體磁性發(fā)生非平庸的變化。而材料的不同熱處理方式和加工工藝往往會顯著改變其金相結構。

4 非平衡相及多元合金相的磁性

前面分析了處于熱力學平衡態(tài)的鐵碳合金。實用的鋼材往往并非處于平衡態(tài)，因為鋼材在加工過程中會產生很多亞穩(wěn)結構或亞穩(wěn)相。在奧氏體向低溫相轉變的過程中，如果降溫速度足夠快，使得奧氏體過冷，導致產生一些非平衡的產物[1]。比如在中溫區(qū)域（約600～200℃）可以形成碳含量過飽和鐵素體和滲碳體的混合物，稱為貝氏體，甚至還會有殘余的奧氏體被凍結下來。這些非平衡因素自然會影響（通常是削弱）材料的磁性。

當奧氏體被急速冷卻（淬火），其中固溶的碳原子來不及擴散出晶胞，會發(fā)生一種非擴散型相變而形成馬氏體。因為原子無擴散，僅僅發(fā)生迅速和微小的重排，所以由奧氏體轉變?yōu)轳R氏體只需要克服很小的能量勢壘。馬氏體還可以在壓力作用下形成，這種方法通常用在特殊的鋼種（高強度、高延展性的鋼）。馬氏體出現(xiàn)的溫度低于貝氏體;它是一種典型的非平衡相，無法標記在Fe-C相圖中。馬氏體也可以看作是一種碳在α-Fe中的過飽和固溶體，不過跟其他過飽和的鐵素體相比，它有相對穩(wěn)定的晶格結構，是體心正方結構。

馬氏體和鐵素體一樣具較強的磁性。由于馬氏體是一種非平衡相，如何像對待平衡態(tài)的磁性材料那樣準確測量其居里溫度和磁化強度等磁學性質是一個值得探討的問題。尚未見到對馬氏體飽和磁化強度的直接測量數(shù)據(jù)，估計與鐵素體相近。馬氏體轉變的起始溫度Ms 大約在300～100℃范圍，隨奧氏體中含碳量的增加而降低;對于碳含量等于共析點碳濃度（0.77%）的過冷奧氏體，Ms 約為230℃。Ms 相對偏低，一般來說馬氏體在其產生的時候就已經具有鐵磁性了。因此如果存在居里溫度，也應高于Ms。

在實際應用的鋼鐵材料中往往還會摻雜少量其他合金元素以改善其力學性能。這類材料家族龐大，難以盡述。這里僅舉一例：加入Ni、Cr和N等元素，可以把高溫相奧氏體穩(wěn)定到低溫下。因為奧氏體組織是順磁的，本身不具有鐵磁性，由此可以得到所謂無磁的奧氏體鋼。但實際上奧氏體鋼不可能完全無磁。奧氏體的結構穩(wěn)定性較差，容易有部分奧氏體組織轉變成馬氏體從而增強材料的鐵磁性。冷變形加工也會導致奧氏體變成馬氏體。通常冷加工變形越大，馬氏體越多，鐵磁性也越強。而熱加工成型的奧氏體不銹鋼幾乎不帶磁性。

5 高壓下純鐵的磁性———一個有趣的補充

以上的討論都限于常壓（一個標準大氣壓）條件。很早就有人研究壓強對純鐵磁性的影響[10]，發(fā)現(xiàn)壓強對α-Fe相的居里溫度影響不大，但會導致α-Fe相到γ-Fe相轉變溫度的降低。大約在1.75GPa，兩相轉變溫度剛好降到α-Fe 相的居里溫度（770℃），壓強繼續(xù)增大，α-Fe轉變?yōu)棣?Fe，鐵磁性也就隨之消失。

圖2是純鐵的溫度壓強相圖[11]。在非常高的壓強下，鐵還存在第四種同素異形體，它具有密排六方（hcp）結構，被稱為ε-Fe相。在室溫下的臨界壓強大約是11.5GPa;在480℃和10.5GPa，是α-Fe相、ε-Fe相和γ-Fe相的三相共存點。ε-Fe不具有鐵磁性。因此在高壓下，α-Fe相與γ-Fe相的相邊界以及α-Fe相與ε-Fe相的相邊界同時也是鐵磁相與順磁相的相邊界。

說到ε-Fe，一個有趣的研究結果不能不提。長期以來，由于超導電性的抗磁性，人們一直以為鐵是不可能具有超導電性的。2001年，首次發(fā)現(xiàn)了ε-Fe在15～30GPa之間會展示超導電性，超導轉變溫度約為-271℃（2K）[12]。

6 結語

本文主要以鐵碳合金為例分析了鋼鐵材料的磁學性質。概括地說，實用鋼鐵材料鐵磁性的來源主要歸因于三個物相：鐵素體、滲碳體和馬氏體（非平衡相），其自發(fā)磁化強度的排序為：鐵素體≈馬氏體gt;滲碳體。它們在材料中所占的比例決定了材料的整體磁性，導致了不同含碳量材料的磁性差別顯著;它們的混合方式也是一個影響磁性的重要因素（這個問題還有待深入研究）。此外并非所有的鋼鐵材料都有鐵磁性，比如奧氏體鋼就是順磁性的。

對于鋼鐵材料，化學組分和加工工藝對材料的金相組織結構有重要影響。這種影響不僅僅限于引起各種物相的混合方式顯著改變，還會導致各種非平衡相的出現(xiàn)，因而形成了五花八門、變化多端的金相結構。因此要完全講清楚鋼鐵材料的磁學性質并非易事。由于應用的需要，人們已經對材料的不同金相結構與力學性能的關系進行了深入而廣泛的研究。相比而言，對其磁性的認識還不夠深入和全面，尚需要進行更多細致的探索。

致謝： 感謝強文江教授和柳祝紅教授的有益討論和建議。

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