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(shí)用的鋼鐵材料種類繁多，磁性的強(qiáng)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(jié)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(jìn)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(biāo)記在平衡相圖中。本文也可以作為學(xué)習(xí)和應(yīng)用相圖的一個教學(xué)案例。

關(guān)鍵詞 磁性;相圖;鋼鐵;鐵碳合金

鐵被稱為“金屬之王”，是基礎(chǔ)建設(shè)和工業(yè)發(fā)展各領(lǐng)域中最不可或缺的原材料，其應(yīng)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(xì)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(qiáng)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(jìn)行解釋。

實(shí)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(jìn)行介紹和分析，然后擴(kuò)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(xué)[2]和物理化學(xué)[3]等大學(xué)本科課程的重要內(nèi)容;本文的分析和討論可以作為學(xué)習(xí)和應(yīng)用二元相圖的一個教學(xué)案例。

1 關(guān)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(zhì)所表現(xiàn)的一種基本屬性。所謂磁介質(zhì)，是指能夠與磁場發(fā)生作用的物質(zhì)[4]。依據(jù)磁介質(zhì)對磁場的響應(yīng)不同，又可以把磁介質(zhì)分為鐵磁性、順磁性、抗磁性、反鐵磁性和亞鐵磁性介質(zhì)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(zhì)的一種表現(xiàn)。

對于順磁性介質(zhì)，可以想象構(gòu)成介質(zhì)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(rèn)為磁矩的雜亂取向是熱漲落所導(dǎo)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(dāng)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(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)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(zhì)中就產(chǎn)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(zhì)的總磁矩定義為磁化強(qiáng)度：M =Σiμi／ΔV 。這種原本不顯示磁性，但是在外磁場中被誘導(dǎo)出與外磁場方向一致的磁化強(qiáng)度的介質(zhì)，就是順磁性介質(zhì)。當(dāng)外磁場很弱時，M 通常與外磁場強(qiáng)度H 呈線性關(guān)系：M =χH ，其中χ 稱為介質(zhì)的（順磁）磁化率。

對于鐵磁性介質(zhì)（即鐵磁體），即使沒有外磁場，介質(zhì)中的固有磁矩也已經(jīng)呈現(xiàn)一致排列的趨勢，從而具有了一定的磁化強(qiáng)度：M ≠0。這種并非由外磁場誘導(dǎo)的磁化強(qiáng)度，稱為自發(fā)磁化強(qiáng)度。自發(fā)磁化產(chǎn)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(jī)制），使得當(dāng)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(dǎo)致熵減小以及自由能相應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度M （T）越小。M 趨近于零時所對應(yīng)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(zhuǎn)變?yōu)轫槾判越橘|(zhì)。自發(fā)磁化強(qiáng)度與溫度的關(guān)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(zhì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[5，6]。

自發(fā)磁化強(qiáng)度M 和居里溫度Tc 是表征鐵磁性強(qiáng)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(zhì)量磁化強(qiáng)度[7]約為217JT-1 ·kg-1，絕對零度的質(zhì)量磁化強(qiáng)度[5]約為221JT-1·kg-1。質(zhì)量磁化強(qiáng)度是實(shí)驗(yàn)測量中的慣用概念，表示單位質(zhì)量介質(zhì)的總磁矩，它與M 的比值等于物質(zhì)的密度。

磁化后的介質(zhì)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(qiáng)度的乘積。當(dāng)磁鐵靠近順磁性介質(zhì)，在介質(zhì)中誘導(dǎo)出與磁鐵極性方向一致的磁化強(qiáng)度，二者之間也會產(chǎn)生吸引作用。但由于順磁介質(zhì)的磁化率χ 通常很小，誘導(dǎo)出的磁化強(qiáng)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(shí)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(zhì)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(fù)相系統(tǒng)[2，3]，從而導(dǎo)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(fù)相系統(tǒng)磁性的基礎(chǔ)，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(cè)的線代表純鐵。隨溫度由低到高，純鐵先后經(jīng)歷三個固態(tài)相[1]：在912℃以下是體心立方（bcc）結(jié)構(gòu)的α-Fe相;在912～1394℃溫度區(qū)間是面心立方（fcc）結(jié)構(gòu)的γ-Fe相;1394～1538℃區(qū)間是bcc結(jié)構(gòu)的δ-Fe相。1538℃是純鐵的熔點(diǎn)。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(zhì)沒有關(guān)系，后面將不再涉及。

當(dāng)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(biāo)記為α 區(qū)。α-Fe的溶碳能力很差;在727℃時溶碳量最大，可達(dá)0.0218%（質(zhì)量百分比，后文的溶解度均指質(zhì)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(rèn)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(biāo)記為γ 區(qū)。γ相是fcc結(jié)構(gòu)，溶碳能力顯著強(qiáng)于bcc結(jié)構(gòu)的α-Fe，最大溶解度可達(dá)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(cè)的線代表滲碳體。這是鐵與碳形成的一種金屬化合物，化學(xué)式是Fe3C，碳在其中的占比為6.69%。滲碳體的結(jié)構(gòu)是復(fù)雜的正交晶格，熔點(diǎn)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(qiáng)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(dǎo)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(fù)相鐵碳合金的磁性

相圖中能夠顯示鐵磁性的復(fù)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(chǎn)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(qiáng)度的基本思路是根據(jù)混合比例不同對兩相的磁化強(qiáng)度進(jìn)行加權(quán)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(xiàn)。溫度越低系統(tǒng)的磁化強(qiáng)度越大。隨含碳量增加，鐵素體的貢獻(xiàn)減少，而滲碳體貢獻(xiàn)增加;由于滲碳體的磁化強(qiáng)度遠(yuǎn)小于鐵素體，故系統(tǒng)的總磁化強(qiáng)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(diǎn)分析兩個特殊含碳量的鐵碳合金：一個是共析點(diǎn)（S 點(diǎn)，含碳量0.77%，共析轉(zhuǎn)變溫度727℃）以下形成的共析體，稱為珠光體;另一個是共晶點(diǎn)（C 點(diǎn)，含碳量4.3%，共析轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)要更加細(xì)密和均勻。

共析點(diǎn)S 是奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏叵嗟呐R界點(diǎn)。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(zhuǎn)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(jìn)一步降低，除了鐵素體的磁化強(qiáng)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(jìn)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(yīng)弱于等量的鐵素體，而強(qiáng)于滲碳體。

共晶點(diǎn)C是液態(tài)鐵發(fā)生凝固的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。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(jié)晶，產(chǎn)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(jī)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(diǎn)的狀態(tài)。繼續(xù)釋放熱量，這部分奧氏體發(fā)生共析而產(chǎn)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(zhì)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(xiàn);溫度降到210℃以下，滲碳體也開始顯示鐵磁性?？傮w上萊氏體的鐵磁性弱于珠光體。

最后需要指出，上述“加權(quán)求和計算磁化強(qiáng)度”的分析方法只是一種粗略的估計，并不十分可靠，因?yàn)閮上嘁圆煌姆绞交旌?，或者說形成不同的金相組織結(jié)構(gòu)，可能會導(dǎo)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(jié)構(gòu)。

4 非平衡相及多元合金相的磁性

前面分析了處于熱力學(xué)平衡態(tài)的鐵碳合金。實(shí)用的鋼材往往并非處于平衡態(tài)，因?yàn)殇摬脑诩庸み^程中會產(chǎn)生很多亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)或亞穩(wěn)相。在奧氏體向低溫相轉(zhuǎn)變的過程中，如果降溫速度足夠快，使得奧氏體過冷，導(dǎo)致產(chǎn)生一些非平衡的產(chǎn)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(jié)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(dāng)奧氏體被急速冷卻（淬火），其中固溶的碳原子來不及擴(kuò)散出晶胞，會發(fā)生一種非擴(kuò)散型相變而形成馬氏體。因?yàn)樵訜o擴(kuò)散，僅僅發(fā)生迅速和微小的重排，所以由奧氏體轉(zhuǎn)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(qiáng)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(biāo)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(jié)構(gòu)，是體心正方結(jié)構(gòu)。

馬氏體和鐵素體一樣具較強(qiáng)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(zhǔn)確測量其居里溫度和磁化強(qiáng)度等磁學(xué)性質(zhì)是一個值得探討的問題。尚未見到對馬氏體飽和磁化強(qiáng)度的直接測量數(shù)據(jù)，估計與鐵素體相近。馬氏體轉(zhuǎn)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(diǎn)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(chǎn)生的時候就已經(jīng)具有鐵磁性了。因此如果存在居里溫度，也應(yīng)高于Ms。

在實(shí)際應(yīng)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(xué)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?yàn)閵W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(shí)際上奧氏體鋼不可能完全無磁。奧氏體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，容易有部分奧氏體組織轉(zhuǎn)變成馬氏體從而增強(qiáng)材料的鐵磁性。冷變形加工也會導(dǎo)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(qiáng)。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(bǔ)充

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

圖2是純鐵的溫度壓強(qiáng)相圖[11]。在非常高的壓強(qiáng)下，鐵還存在第四種同素異形體，它具有密排六方（hcp）結(jié)構(gòu)，被稱為ε-Fe相。在室溫下的臨界壓強(qiáng)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(diǎn)。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(jié)果不能不提。長期以來，由于超導(dǎo)電性的抗磁性，人們一直以為鐵是不可能具有超導(dǎo)電性的。2001年，首次發(fā)現(xiàn)了ε-Fe在15～30GPa之間會展示超導(dǎo)電性，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度約為-271℃（2K）[12]。

6 結(jié)語

本文主要以鐵碳合金為例分析了鋼鐵材料的磁學(xué)性質(zhì)。概括地說，實(shí)用鋼鐵材料鐵磁性的來源主要?dú)w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(qiáng)度的排序?yàn)椋鸿F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(dǎo)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(xué)組分和加工工藝對材料的金相組織結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jié)構(gòu)。因此要完全講清楚鋼鐵材料的磁學(xué)性質(zhì)并非易事。由于應(yīng)用的需要，人們已經(jīng)對材料的不同金相結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的關(guān)系進(jìn)行了深入而廣泛的研究。相比而言，對其磁性的認(rèn)識還不夠深入和全面，尚需要進(jìn)行更多細(xì)致的探索。

致謝： 感謝強(qiáng)文江教授和柳祝紅教授的有益討論和建議。

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