（材料物理與化學專業(yè)論文）外磁場對鐵基合金中相變熱力學及動力學的影響.pdf

摘要 摘要 外磁場下鐵基合金的相變熱力學及相變動力學已成為材料學的研究熱點之 一 大量的研究結果表明 在外磁場的作用下 鐵基合金的微觀組織會發(fā)生變化 通過控制外磁場強度及熱處理溫度 可以達到改善合金機械性能的目的 到目前為止 外磁場下鐵基合金的相變熱力學及相變動力學的研究還很有 限 本論文對外磁場下純鐵及鐵基合金的磁學性能 相變熱力學和相變動力學進 行了理論計算 其主要研究結果如下 1 采用分子場理論對不同外磁場下純鐵及鐵基合金的磁化強度進行了計 算 并定義磁化強度一溫度曲線的拐點為居里溫度 從而計算了外磁場下的居里 溫度 結果表明磁化強度及居里溫度隨外磁場強度的增加而提高 2 考慮了外磁場對 相g i b b s 自由能的影響 并計算了純f e f e c f e s i f e m o f e c r 和f e m o s i 各體系中的嘶相平衡 結果表明a 相隨外磁場強度 的增加越來越穩(wěn)定 其相區(qū)越來越大 3 根據無外磁場時的擴散系數計算模型 首次推導了外磁場下的擴散系數 計算模型 并利用外磁場下的擴散系數計算模型對 1 f e 自擴散系數及n i 和c o 在a f e 中的擴散系數進行了計算 計算結果表明擴散系數隨溫度的降低而減小 隨外磁場強度的增加而減小 而且在居里點附近減小得較顯著 g d t 曲線也變 得圓滑 4 利用經典形核理論及晶體生長模型 并考慮外磁場對相變驅動力的影 響 計算了外磁場下純鐵及f e 1 c a t 合金中丫一a 相交的形核勢壘 臨界形 核半徑 形核率 晶體生長速度和1 廣r 曲線 結果表明外磁場下形核勢壘和臨 界形核半徑減小 形核率與生長速度都增大 且形核率比生長速度增大得更明顯 1 1 r r 曲線的鼻溫升高 相轉變時間縮短 因此本研究的計算結果很好地符合晶 粒細化的必要條件 從而解釋了外磁場下a 相晶粒能夠得到細化的原因 本論文的研究結果為外磁場下純鐵及鐵基合金的居里溫度 相平衡和相變動 力學的實驗研究提供了重要的理論指導 關鍵詞 外磁場 相變 擴散系數 a b s t r a c t u n d e rt h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d t h et h e r m o d y n a m i c sa n dk i n e t i c so fp h a s e t r a n s i t i o no ff e b a s e da l l o y sh a v eb e c o m eah o tt o p i ci nt h ef i e l do fm a t e r i a l ss c i e n c e t h ep r e v i o u sr e s e a r c hi n d i c a t e st h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo ff e b a s e da l l o y sw i l lc h a n g e i nt h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d c o n s e q u e n t l y t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ff e b a s e d a l l o y sc a nb ei m p r o v e db yc o n t r o l l i n gt h es t r e n g t ho fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l da n dt h e t e m p e r a t u r eo fh e a tt r e a t m e n t s of a r t h et h e r m o d y n a m i c sa n dk i n e t i c so fp h a s et r a n s i t i o no ff e b a s e da l l o y si n e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dw e r er a r e l ys t u d i e d i nt h i sw o r k u n d e rt h ee x t e r n a lm a g n e t i c f i e l d t h em a g n e t i cp r o p e r t i e s t h et h e r m o d y n a m i c sa n dk i n e t i c so fp h a s et r a n s i t i o ni n p u r ei r o na n df e b a s e da l l o y sw e r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t sa l el i s t e da sf o l l o w i n g 1 b a s e do nt h ew e i s sm o l e c u l a rf i e l dt h e o r y t h em a g n e t i z a t i o no fp u r ei r o na n d f e b a s e da l l o y sw e r ec a l c u l a t e du n d e rv a r i o u se x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d s t h ec u r i e t e m p e r a t u r ew a sd e f i n e da st h ei n f l e x i o no ft h em tc u r v e t h e nt h ec u r i et e m p e r a t u r e i nt h ee x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dc a l lb eo b t a i n e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tb o t ht h e m a g n e t i z a t i o na n dc u f i et e m p e r a t u r ei n c r e a s e 誦t l li n c r e a s i n ge x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d 2 c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l do nt h eg i b b sf r e ee n e r g yo f qp h a s e t h eo 昨p h a s ee q u i l i b r i u mo fp u r ei r o n f e c f e s i f e m o f e c ra n d f e m o s is y s t e m sw e r ec a l c u l a t e d r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ea p h a s e b e c o m em o r es t a b l ei ne x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d 3 b a s e do nt h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n tm o d e lw i t h o u te x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d t h e d i f f u s i o nc o e f f i c i e n tm o d e lw i t he x t e r n a lm a g n e t i cf i e l dw a sf i r s t l yd e d u c e d t h e nt h e a f es e l f d i f f u s i o nc o e 街c i e n ta n dt h ed i f f u s i o nc o c f f i c i e n to fn ia n dc oi na f ew e r e c a l c u l a t e db yt h ed e d u c e dm o d e l t h ec a l c u l a t e dr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed i f f u s i o n c o e f f i c i e n td e c r e a s e sw i t ht h ed e c r e a s i n go ft e m p e r a t u r ea n dt h ei n c r e a s i n go fe x t e r n a l m a g n e t i cf i e l di n t e n s i t y a n dn e a rt h ec u r i et e m p e r a t u r e t h ed i f f u s i o nc o e f f i c i e n t d e c r e a s e so b v i o u s l ya n dt h el g d tc b l n eb e c o m e ss m o o t h l y 4 b a s e do nt h e c l a s s i c a ln u c l e a t i o nt h e o r ya n dg r a i ng r o w t hm o d e l a n d c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l do nt h e7 一qp h a s et r a n s i t i o n d r i v i n gf o r c e t h ec r i t i c a ln u c l e a t i o ne n e r g y c r i t i c a ln u c l e a t i o nr a d i u s n u c l e a t i o nr a t i o g r a i ng r o w t hv e l o c i t ya n d 盯k i n e t i c sc u l n e so fy ap h a s et r a n s i t i o ni np u r ei r o n a n df e ic a t a l l o yw e r ec a l c u l a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tu n d e rt h ee x t e r n a l a b s t r a c t m a g n e t i cf i e l d t h en u c l e a t i o np o t e n t i a le n e r g ya n dc r i t i c a ln u c l e a t i o nr a d i u sd e c r e a s e t h en u c l e a t i o nr a t i oa n dg r o w t hv e l o c i t yi n c r e a s e a n dt h en u c l e a t i o nr a t i oc h a n g e s m o r eo b v i o u s l y t h en o s eo ft h et t tc u r v e si n c r e a s e sa n dt h et i m eo fp h a s et r a n s i t i o n s h o r t e n s t h e s er e s u l t sa r eg o o df i tw i t ht h ec o n d i t i o no fg r a i nr e f i n e m e n t s ot h e yc a n e x p l a i nt h er e a s o no fg r a i nr e f m e m e n ti ne x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sc a l lp r o v i d eag u i d a n c ef o rt h ee x p e r i m e n t so ft h ec u r i e t e m p e r a t u r e p h a s ee q u i l i b r i u ma n dp h a s et r a n s i t i o nk i n e t i c so fp u r ei r o na n df e 1c a t a l l o y k e y w o r d s e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d p h a s et r a n s i t i o n s d i f f u s i o nc o e f f i c i e n t i i i 廈門大學學位論文原創(chuàng)性聲明 茲呈交的學位論文 是本人在導師指導下獨立完成的研究成 果 本人在論文寫作中參考的其他個人或集體的研究成果 均在 文中以明確方式標明 本人依法享有和承擔由此論文產生的權利 和責任 聲明人 簽名 年月日 廈門大學學位論文著作權使用聲明 本人完全了解廈門大學有關保留 使用學位論文的規(guī)定 廈 門大學有權保留并向國家主管部門或其指定機構送交論文的紙 質版和電子版 有權將學位論文用于非贏利目的的少量復制并允 許論文進入學校圖書館被查閱 有權將學位論文的內容編入有關 數據庫進行檢索 有權將學位論文的標題和摘要匯編出版 保密 的學位論文在解密后適用本規(guī)定 本學位論文屬于 1 保密 在年解密后適用本授權書 2 不保密 請在以上相應括號內打 4 作者簽名 導師簽名 日期 年月 日 日期 年月日 第一章緒論 1 1 概述 第一章緒論 自從公元前2 0 0 多年指南針在中國的出現 磁場的作用逐漸被人們所認識 隨著人們不斷對磁性本質地揭露 磁場的應用已經滲透到各個領域 包括生物 醫(yī)學 化學 信息 交通運輸 材料與冶金等 2 0 世紀6 0 年代發(fā)現了實用超導材料 8 0 年代出現了性質優(yōu)良的釹鐵硼永磁 材料 使人們可以不耗費很大的電功率獲得大體積持續(xù)的強磁場 尤其是強磁場 發(fā)生裝置的商品化使磁場的應用更加廣泛 以此極端條件作為研究手段進行科學 研究的范圍不斷擴大 而且日趨普遍 所以 近年來有關強磁場應用的學術論文 越來越多 而且呈不斷上升的趨勢 磁場作為一種新型的冷物理場 具有一個明顯的優(yōu)點 即磁場作用的非接觸 性 從而減少了對材料本身的污染 使其在材料科學方面的應用越來越多 不僅 應用于金屬材料 在高分子方面也有應用 其中將強磁場應用于材料的制備及固 態(tài)相變過程已成為材料電磁處理研究領域中新的研究熱點 1 2 外磁場在材料制備過程中的應用 1 2 1 外磁場在材料熱處理過程中的應用 在外磁場的作用下用于改善各種金屬材料力學性能的熱處理方法稱為磁場 熱處理 這種方法于1 9 5 9 年由美國r d c a 美國的開發(fā)與研究公司 的總冶金師 b a s s e t t 最先提出的 故稱為貝氏法 l j 從2 0 世紀6 0 年代起我國研究人員就開始了開展磁場條件下相變的研究 其研 究發(fā)現 a 磁場淬火能使馬氏體嵌鑲塊碎化 馬氏體針顯著細化并形成明顯的 織構 采用交變縱向磁化 提高含碳量或提高磁場強度都能提高磁場淬火的效果 2 b 淬火過程中加入磁場可促進奧氏體向馬氏體轉變 并細化馬氏體組織 3 f 4 c 在連續(xù)冷卻過程中加磁場可以使鐵素體轉變的c c t 曲線左移 淬透性 第一章緒論 下降 在奧氏體化過程中加磁場 會降低奧氏體的穩(wěn)定性 造成冷卻過程中c c t 曲線的左移 5 d 脈沖磁場等溫淬火可以降低過冷奧氏體的穩(wěn)定性 促進過冷 奧氏體向貝氏體轉變 縮短等溫時間 并可改善組織 即增加貝氏體數量 并對 貝氏體形態(tài)和殘余奧氏體量有一定的影響 6 1 e 磁場淬火降低淬火形成的組織 應力 殘余奧氏體的數量減少有助于提高工件尺寸穩(wěn)定性及淬火硬度 6 1 1 7 1 f 在 高磁場強度下 磁場不僅改變了物質的電子狀態(tài) 也改變了晶體結構 同時磁場 可直接影響所生成馬氏體組織的分布狀況 8 1 9 研究者們也在努力揭示磁場對變形鐵基合金回復與再結晶行為的作用 1 0 1 6 特別是對再結晶織構 晶界特征分布的影響 期望通過磁場退火能得到理想的織 構以改善材料的機械性能 m a r t i k a i n e n 和l i n d r o o s t l 2 首先研究了強磁場對冷軋 a r m c o 鐵再結晶行為的影響 結果表明磁場可以明顯地推遲再結晶過程 在相同 的熱處理條件下 磁場熱處理試樣仍處于回復階段 而無磁場熱處理試樣卻已經 進入再結晶階段 只有為數有限的區(qū)域還處于回復之中 而且認為由磁場誘發(fā)的 磁有序狀態(tài)有可能影響晶界遷移和晶粒長大 因為在鐵磁材料中 擴散強烈地依 賴于磁有序化程度 此外 磁疇壁也可能對晶界遷移產生阻礙作用 因此再結晶 過程就會受到抑制 最近日本 金屬 雜志介紹了一種金屬熱處理新工藝 磁場形變熱處理法 簡稱m t m p m a g n e t o 1 k 硼o m e c h a n i c a lp r o c e s s 法 該法是利用強磁場下熱處 理來獲得超細晶粒組織金屬材料的方法 首先將金屬材料加熱到單相固溶溫度 區(qū) 然后在未再結晶溫度區(qū)進行壓力加工 在磁場下兩相區(qū)相變過程中形成取向 組織 隨后沿取向組織進行縱向壓軋完成再結晶 最后可以獲得超細晶粒組織 在形變熱處理過程中所施加的壓力加工負荷要求不大 重要的是要求沿著厚度方 向必須施加2t t 為磁場強度單位 以上的強磁場 l 刀 1 2 2 外磁場下燒結對材料性能的影響 在材料的燒結過程中引入外部磁場會加速燒結過程 活化燒結 從而起到 控制和改變燒結體組織結構的作用 張達明等人 研究了含c o 量為 6 0 9 5w t 的w c c o 系合金磁場燒結 行為 磁場處理后的w c c o 系合金的空隙度比無磁場時更低 只有 0 0 1 0 0 2 2 第一章緒論 粘結相分布更均勻 w c 晶粒平均尺寸減小 硬度 密度提高 易丹青等人 1 9 對f e 2 2 c u w t w c 4 0 c u w t 合金在交變磁場下進行液相燒結進行了 研究 與無磁場情況下相比 體系的相對密度明顯提高 固相顆粒更為分散 輪 廓更為清晰 他們認為當在燒結過程中加入交變磁場時 根據電磁感應原理 其 內部會感生出許多環(huán)行電流 這種感生電流與外加磁場之間的電磁相互作用必然 會對燒結動力學產生影響 超導材料的一個重要性能指標就是臨界電流密度值 j c 要提高j c 值 就有 必要使材料紋理化 控制材料的微觀結構使晶粒充分接觸 而在超導材料的燒結 過程中施加磁場 能促進晶粒的排列 能夠導致磁性紋理的生長過程 h o l l o w a y a 等人跚研究t h o b a 2 c u 3 0 7 5 的工業(yè)特性及r e b a 2 c u 3 0 7 4 r e y h o 超導性的 磁場效果 h o l l o w a y 2 1 1 等對磁各向異性的h o b c o 材料的晶粒長大過程進行了研 究 研究表明晶粒的方向由所加外部磁場的大小和方向控制 晶粒排列的程度隨 外加磁場的增大而增大 1 2 3 外磁場對金屬凝固組織的影響 在金屬凝固過程中施加磁場是改善組織結構 提高機械性能的有效方法之 一 自從v i v e s 圈用交流磁場細化了鋁合金凝固組織以后 不斷有學者將電磁場 應用與凝固過程 8 0 年代以后 掀起了磁流體力學在材料凝固領域內研究的熱潮 到目前為止 凝固過程中施加的磁場主要有交變磁場 旋轉磁場和直流磁場兩種 另外也有其它的特殊磁場 如移動磁場 脈沖磁場 變幅磁場等 1 直流磁場對金屬凝固組織的作用 直流磁場分為兩種 由傳統(tǒng)線圈產生的普通強度的直流磁場和由超導線圈產 生的高強度直流磁場 直流磁場通常施加于金屬的定向凝固過程中 目前認同的 直流磁場對金屬凝固過程的影響機理主要集中于兩個方面f 2 3 l 一是自然對流引起 的電磁制動效應 二是熱電流引起的熱電磁對流效應 王艷 冽等發(fā)現在單獨直流磁場的作用下 過共晶a 1 1 8 s i w t 呦合金在定向 凝固時形成富s i 特殊表面 當磁感應強度為0 1 5t 左右時 中心組織發(fā)生粗化現 象 磁感應強度為o 2 4t 時 發(fā)生s i 的偏析現象 改變穩(wěn)恒直流磁場的方向 s i 的偏析方式不改變 u h h l l a n n 等 2 3 考察了o 2t 直流磁場對砧 c u 合金凝固組織的 第一章緒論 影響 發(fā)現無磁場時凝固組織為等軸晶 而外加直流磁場后組織為完全的柱狀晶 結果表明 直流磁場抑制了熔體的對流 使得枝晶臂的熔化和晶核被帶入熔體中 的機會大大減少 從而減少了等軸晶的數量 時海芳等 2 5 研究了直流磁場下砧 c u 合金的定向凝固 發(fā)現與無磁場條件下相比 枝晶主干排列整齊且生長取向與熱 流方向一致 同時主干平均間距減小 這是因為電磁制動抑制了熔體對流 使得 枝晶的橫向生長及分支發(fā)展受到抑制 而平行于熱流方向的縱向生長迅速 2 6 2 強磁場對金屬凝固組織的作用 近年來 由于低溫超導技術的日益完善 強磁場變得較易獲得 這為研究金 屬合金在強磁場下的凝固行為提供了可能 強磁場能夠影響晶體的長大過程和約 束晶體的排列方向 并可有效抑制導電熔體內的熱對流 從而改變凝固過程中晶 體的生長特性 晶體排列及溶質分布規(guī)律 組織結構具有一定取向等 m i k e l s o n 等陽將燦 c u 和c d z 1 1 等合金置于1 t 磁場中緩慢凝固 觀察到先共晶相呈現出明 顯的近似平行于磁場方向的組織 r e n 2 8 2 9 和y u s u d a 3 0 1 在強磁場下對b i m n 合金 的凝固行為進行了廣泛深入的研究 發(fā)現b i m n 合金在固液兩相區(qū)恒溫時 m m b i 晶體在磁場作用下沿磁場方向定向排列長大 定向排列因子隨外磁場強度的增大 而提高 在梯度磁場下 發(fā)現有形成環(huán)狀凝固組織 李喜等 3 l 做了強磁場對b i m n 合金3 5 5o c 包晶相變點影響的研究 隨著磁場強度的增大 相變溫度逐漸增大 在1 0t 磁場下相變溫度提高2 0o c 左右 而且強磁場的磁化作用促進了b i m n 合金 相變中m n b i 相形態(tài)由塊狀向片狀的轉變 3 旋轉磁場對金屬凝固組織的作用 王志華等 3 2 1 認為旋轉磁場對液體合金有3 方面的作用 其一攪拌對合金液體 起到散熱作用 其二產生渦流熱 對合金液體有加熱作用 其三液態(tài)合金沖刷型 壁 靠近型壁的枝晶被沖擊 熔斷 脫落 對枝晶生長有一定的減緩作用 但同 時脫落的枝晶又作為合金液體的結晶晶核 促進了合金的凝固 r e n 等 3 3 3 4 1 對旋轉磁場下的a 1 s i 共晶合金進行了定向凝固研究 發(fā)現共晶兩 相出現了離異生長 共晶相中的 s i 相全部富集于樣品的外表面 徐振湖 3 5 研 究旋轉磁場對過共晶鋁硅合金的作用時發(fā)現 a 旋轉磁場對過共晶鋁硅合金能 使其初生硅細化 變質后再施加磁場作用效果更佳 b 旋轉磁場使試樣表面出 現初生硅富集 并使初生硅破碎 使等軸晶數量增加 徐林等人 3 6 通過研究旋轉 4 第一章緒論 磁場作用下s n 2 s b 合金的冷卻曲線發(fā)現 在旋轉磁場作用下的合金凝固冷卻曲線 較之在靜置條件下合金液凝固冷卻曲線有了十分明顯的變化 4 交交磁場對金屬凝固組織的作用 2 0 世紀6 0 年代w c j o h n s o nv f 3 7 3 3 對交變磁場作用下的金屬凝固進行了研 究 發(fā)現交變磁場可以減小等軸晶區(qū)內的晶粒尺寸和柱狀晶區(qū)的相對體積 張偉 強等 3 9 4 1 還發(fā)現 在施加了交變磁場的舢 3 3 2 c u 共晶成分合金中出現了砧的 初生相 分析表明 是由于流動導致界面前沿共晶兩相生長速度不一致所造成的 王志華等人 3 2 1 認為熔體與交變磁場相互作用將產生感應電流 磁場與感應電 流之間發(fā)生電磁作用 產生電磁力 其方向是沿徑向將金屬壓向或拉離軸心 從 而使凝固體系產生波動 使長大的晶粒破碎 形成新的細小晶核 進一步起到細 化晶粒的作用 1 3 外磁場對固態(tài)相變的影響 外磁場與傳統(tǒng)能量場 溫度場 應力場等 相比 外磁場的作用機理有所不 同 它是通過影響物質中電子的運動狀態(tài)使相變發(fā)生變化 材料的宏觀性能和微 觀組織與材料中的電子運動狀態(tài)有密切關系 因此溫度場與磁場的共同作用 必 會對材料的固態(tài)相變產生影響 鐵基合金中具有b c c 結構的鐵磁相的磁化率遠大于f c c 結構順磁相的磁化率 磁場會改變具有不同磁化率相的平衡溫度 且p f c c 與b c c 相的平衡相變溫度在磁場 中會升高 1 3 1 外磁場下的馬氏體轉變 1 3 1 1 外磁場對馬氏體轉變點 及其轉變動力學的影響 在對磁場下相變規(guī)律研究的初期 大多數研究者們都是以馬氏體轉變作為研 究對象的 這是由于馬氏體與奧氏體的磁性差異較大 在奧氏體向馬氏體轉變的 過程中 馬氏體的g i b b s 自由能將會在磁場下顯著降低 而順磁性的奧氏體的 g i b b s 自由能在磁場下則降低較小 因此具有鐵磁性的馬氏體在磁場下變得更穩(wěn) 定 如圖1 1 所示 由于磁場將馬氏體g i b b s 自由能由甌降到g 而奧氏體的 第一章緒論 自由能只從g 到噦發(fā)生很小的變化 于是兩相的平衡溫度就由死升高到 即馬氏體相變溫度m s 隨之升高 由于轉變的驅動力取決于兩相的g i b b s 自由能 差 因此 磁場可顯著促進這一轉變過程 t ot t e m p e r a t u r et x 圖1 1 有 無外磁場時奧氏體和馬氏體g i b b s 自由能隨溫度的變化 a 一馬氏體 丫 奧氏體 西不外磁場 f i g 1 1 t h eg i b b sf r e ee n e r g yo fa u s t e n i t ea n dm a r t e n s i t ec h a n g e sw i t h t e m p e r a t u r ew i t ha n dw i t h o u te x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d n m a r t e n s i t e 7 a u s t e n i t e m e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d 從1 9 世紀6 0 年代起就已有實驗表明較小的外磁場能使馬氏體的尬點升高 4 2 以含鎳量不同的合金f e 2 9 9 n i a t f e 31 7 n i a t 與f e 3 2 5 n i a t 為研究對象 研究發(fā)現含n i 量越高 外磁場對合金m s 點的影響越小 當變化 溫度 丁不變時 磁致馬氏體生成量亦不變 但對于含3 2 5a t n i 的合金 磁 致馬氏體的量隨磁場強度的增大而增加 k o c h 同樣提出 4 3 磁場能促進c u 1 5 f e 砒 合金中鐵的馬氏體的生成 包括在4 2k 時由反鐵磁相到鐵磁相的轉變 6 io昌 巴盤瑟霉8毒 盎盂一0 第一章緒論 不加磁場時 生成大約2 9 的馬氏體 加磁場時生成大約5 0 的馬氏體 b e m s l l t e y n 等研究者m 在f e n i c 鋼的馬氏體轉變過程中引入了4 0 0 0o e 的磁場 發(fā)現磁場可顯著加快這一轉變過程 經此處理后材料的屈服點升高1 0 1 5 但 并沒有觀察到m s 點的變化 并將這一結果歸結于所加的場強尚不足以對轉變溫 度產生可觀察到的作用 自1 9 8 0 年起 日本的k a k e s h i t a 等研究者進行了更細致 系統(tǒng)的研究1 4 5 巧9 他 們將3 1 7 5m a m 的脈沖磁場應用于多種鐵基合金的馬氏體轉變過程中 并發(fā)現 在 盤點以上誘發(fā)馬氏體轉變的磁場存在一個臨界值颶 低于此值磁場不能導致 馬氏體轉變 該臨界值隨溫度的升高而增大 并且提出了估算m s 點升高的精確 公式 5 5 a g m s 一a g m s l 一a m m s f h c 一 1 2 z h g o o w o h h c b 1 1 式中 z i g m s 一脅溫度時母相與新相的g i b b s 化學自由能差 z 1 g m s 一脅慍度時母相與新相的g i b b s 磁學自由能差 m s 7 一磁場誘發(fā)馬氏體轉變點 a m m s 一脅韞度時奧氏體與馬氏體的自發(fā)磁化強度 磁矩 差 日一磁場強度 圮一誘發(fā)馬氏體轉變的臨界磁場強度 硝一母相奧氏體的高場磁化率 一轉變應變 a w a 1 1 一受迫體積磁致伸縮率 b 一體積模量 計算結果表明 對于f e p t 合金 4 釕 i n v a rf e n i 合金m 非h v a rf e n i c 合金 1 4 8 并 i n v a rf e m n c 合金 5 0 l a m s m s m s 與確關系與實測結果十分符合 如 圖1 2 所示 7 g 熏 j 宣 占 耄 g 熏 i 逵 占 耄 m a p e t i cf i e l d m 刖h m a p l ef i e l d m a m 圖1 2 k a k e s h i t at 等計算得到的不同h 時幾種鐵基合金馬氏體轉變點 實線 與實測數據 點 的比較 5 5 l f i g 1 2c o m p a r i s o nb e t w e e nc a l c u l a t e d 1 i n e a n dm e a s u r e d d o t s m a r t e n s i t i cs t a r tt e m p e r a t u r ei n c r e a s ev sh f o rs e v e r a lf e r r o a l l o y s l 5 s i 8 g 運j餐 耄 第一章緒論 磁場不僅對m s 點有影響 還對馬氏體的轉變動力學有影響 鐵基材料中存 在著兩種馬氏體轉變 一種是交溫轉變 另一種是等溫轉變 對于前者 馬氏體 的轉交量隨轉變溫度的降低而增加 而對于后者 馬氏體的轉變量既隨保溫時間 的延長而增加也隨轉變溫度的降低而增加 k a k e s h i t a 等i 硎研究了磁場對f e 0 2 4 9 n i 3 9 m n w t 呦和f e 2 4 9 n i 3 9 m n w t 合金等溫與交溫馬氏體相變動力學 的影響規(guī)律 發(fā)現較高的脈沖磁場使f e 2 4 9 n i 3 9 m n w t 馬氏體生長加速 且使1 廣r 曲線 鼻子 處的溫度下降 孕育期縮短 如圖1 3 所示 g 醚 稠 保溫時間 s 圖1 3 外磁場對合金f e 2 4 9 n i 3 9 m n w t 馬氏體轉變 i 曲線的影響1 4 4 l f i g 1 3 t h ee f f e c to fe x t e r n a lm a g n e t i cf i e l do nt t tc u r v eo ff e 2 4 9 n i 3 9 m n w t m a r t e n s i t i ct r a n s f o r m a t i o n l 4 4 1 1 312 外磁場誘發(fā)馬氏體轉變的轉變量及形貌變化 由于外磁場可以明顯提高奧氏體與馬氏體之間的g i b b s 自由能差 提高m s 溫度 馬氏體的轉變量勢必會受到影響 因為在大多數常規(guī)馬氏體轉變中 馬氏 體轉變是不完全的 而馬氏體的轉變量又直接影響材料的最終性能 因此 研究 磁場下馬氏體的轉變量既有理論意義 又有實際應用價值 到目前為止 這方面的研究主要以熱彈性馬氏體和非熱彈性馬氏體為對象 就熱彈性馬氏體和非熱彈性馬氏體而言 磁場對馬氏體轉變量的影響有所不同 對于熱彈性馬氏體 在任何給定的刪譬 m s 一m s 值 馬氏體的轉變量隨場強 9 第一章緒論 呈線性增加h 5 4 7 4 9 5 7 6 0 6 1 1 其原因或源于已轉變的馬氏體的長大 4 6 1 或源于新馬 氏體的形成或兩者兼而有之 5 0 1 而對于非熱彈性馬氏體 盡管所加的磁場強度要 比臨界磁場強度高得多 磁場誘發(fā)馬氏體轉變的轉變量并不發(fā)生變化 4 7 4 9 1 k o h n o 等研究者 6 1 也觀察到在s u s 3 0 4 0 l 奧氏體不銹鋼經重新加熱后 即便將磁 場強度增加到2 6t 仍未發(fā)生馬氏體轉變量的明顯增加 s h i m o z o n o 等研究者 6 2 l 發(fā)現f e 2 5 5 n i 3 5 c r 奧氏體不銹鋼在2 6t e s l a 的強磁場下0 馬氏體的轉變 量飽和于1 0 k u r i t a 6 3 等研究者將磁場 彈性應力和塑性變形耦合引入f c 3 7 4 n i w t 合金和3 0 4 l 3 1 6 l 不銹鋼的馬氏體轉變過程中 結果發(fā)現在不同的 材料中磁場的影響顯現出不同的特點 研究結果表明 對于3 0 4 l 和3 1 6 l 在塑 性變形誘發(fā)馬氏體轉變的條件下 馬氏體轉變量隨磁場強度的增強明顯增加 而 對于f e 3 7 4 n i w t 合金 磁場的作用則十分有限 此外 關于外磁場對各種鐵基合金馬氏體形貌的影響也進行了大量的研究 許多研究結果表明 無論轉變溫度 磁場強度如何變化 磁誘發(fā)馬氏體的形貌和 亞結構與熱誘發(fā)馬氏體的形貌和亞結構完全相 4 5 4 8 6 4 1 由于磁誘發(fā)馬氏體的形 成溫度不同于熱誘發(fā)馬氏體的形成溫度 這一事實使 馬氏體的形貌取決于其形 成溫度 的觀點受到挑戰(zhàn) 但k a k e s h i t a 等研究者 4 9 同時也發(fā)現 在單晶f e n i 合 金中 一些由外磁場誘發(fā)的馬氏體沿著磁場的施加方向由母相單晶的一端橫穿至 另一端 至于這種定向生長的形成原因目前尚不清楚 它可能與由形狀決定的磁 各向異性有關 外磁場下馬氏體轉變的新現象對傳統(tǒng)的馬氏體轉變理論提出了挑戰(zhàn) 而這一 研究的深入必將有助于擴展馬氏體轉變理論 使其更加完善 1 3 2 外磁場下的鐵素體轉變 1 3 2 1 外磁場對奧氏體 鐵素體相平衡的影響 與外磁場下馬氏體轉變一樣 奧氏體 鐵素體相變也是由于在外磁場下鐵素 體自由能下降得比奧氏體快 從而導致相平衡溫度的變化 因此外磁場對奧氏體 鐵素體相變的影響也成為了一個研究熱點 計算外磁場下相圖的變化對指導實際生產十分必要 2 0 世紀9 0 年代末及本 世紀初 韓國及日本的研究者開始較深入 系統(tǒng)地研究外磁場下f e c 二元系合 l o 第一章緒論 金相平衡 6 5 6 7 1 并進而展開了對f e c x 三元系合金相平衡的研究嘲 外磁場通過物質的磁化強度影響其能量變化 在外磁場下磁性材料的單位體 積磁性勢能 如圖1 4 所示 其表達式為 t m i i 枷 一j h d m j m d h 1 2 山南 7 其中4 f 覷刪外磁場使試樣磁化至m 狀態(tài)所作的功 4 一l 朋掰外磁場下試樣磁性內能增量 皇 o 墨 日 n o 置 矗 窆 h n e x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d 圖1 4 磁化強度與外磁場的變化關系 f i g 1 4 t h er e l a t i o n s h i po fm a g n e t i z a t i o na n de x t e r n a lm a g n e t i cf i e l d 在把 l 和么2 哪個作為與磁場相關的磁自由能上 j o o 等人 6 習和g u o 等人嗍 存在分歧 j o o 等人把磁性相 的外磁場磁性自由斛6 5 1 表述如下 一f 刪 1 3 或 嘭 一i lz 日2 1 4 式中 z 磁化率 式 1 3 適用于鐵磁態(tài) 式 1 4 適用于順磁態(tài) 兩式中的關鍵參數是肘和z 第一章緒論 對于f e c 二元系合金 奧氏體在所涉及的溫度范圍之內始終呈現順磁性 所以 它的z 可直接由c u r i e w e i s s 定律計算 6 5 由于鐵素體在順磁態(tài)的磁化率計算值 與實驗值不相符 而且在居里溫度附近很難計算 因此利用式 1 4 很難得到鐵 素體的磁自由能 j o g 和k i m 等研究者 6 5 1 利用w e i s s 模型計算磁化強度 并利用 式 1 3 計算全部溫度范圍內鐵素體的g i b b s 磁自由能 并在不同的溫度上根據 m h 曲線對式 1 3 進行積分并產生以j b a n 磁場為自變量的g i b b s 磁自由能函 數 然后 再將該自由能擬合成在幾個給定外磁場強度下以溫度為自變量的函數 但是對于每一給定外磁場強度公式中的各參數均不同 所以不能給出任意外磁場 強度的自由能函數式 因此使這一研究的范圍變得很有限 盡管如此 該研究卻 是模擬外磁場下相圖的第一次嘗試 并得到了外磁場對f e c 平衡相圖影響的非 常有價值的信息 計算結果表明 a c s 線移向高溫及高含碳量區(qū)域 而彳 線的 位置則基本保持不變 這樣共析溫度和共析成分均隨外磁場強度的增大而升高和 增大 g u o 等人把磁性相矽的外磁場磁性自由f 斃t 6 6 表述為 甜 哦 一 施塒 1 5 即把磁性內能的增量當作外磁場磁性自由能 而且他們也研究了外磁場對 f c c 系統(tǒng)中各相的自由能及奧氏體 鐵素體相平衡影響 同時將該研究擴大到 f e c s i 和f e c m n 系 根據w e i s s 分子場模型計算了鐵素體的磁化強度 并由 此計算了鐵素體的偏摩爾自由能 對于f e c x 三元合金系 通過考慮合金元素 對居里溫度及鐵固溶體中鐵原子磁矩的影響計算鐵素體的磁化強度 因為外磁場 對奧氏體作用不明顯 把奧氏體自由能視為不變 其最終計算結果表明 根據合 金成分的不同 磁場每升高1t t e s l a 奧氏體 鐵素體轉變溫度升高1 3o c 而 對于6 相 奧氏體轉變 外磁場每升高lt 轉變溫度降低0 4o c 并預計在1 0 0t 時y f e 穩(wěn)定區(qū)將消失 0 f e 將不經過y f e 直接轉變成6 f e 但是對于強磁場下奧氏體一鐵素體相變溫度的實驗研究比較少 2 0 0 0 年楊 鋼和馮光宏 6 8 在1 2t 以下的穩(wěn)恒磁場下對低碳錳鈮鋼嘶相變溫度進行了研究 結果表明相變點隨外磁場強度的增加而增加 也就是說試樣可以在較高的溫度下 完成鐵素體的形核過程 2 0 0 4 年h a g 等人 叫在1 0t 以下對f e c 合金 晰相變溫 1 2 第一章緒論 度做了研究 實驗結果表明純鐵的嘶相變溫度隨著外磁場強度呈線性增加 基 本上每增加1t 相變溫度就升高o 8o c 對于f e o 8 c 合金 其共析轉變溫度 每特斯拉升高大約1 5o c 與利用w e i s s 模型計算的相變溫度相比 實驗值要明 顯高于計算值 1 3 2 2 外磁場對鐵素體轉變動力學及微觀形貌的影響 如上所述 磁場能顯著影響嘶相變過程 使得鐵素體能在更高的溫度下形 核 形核率增加 最終晶粒得到細化 一般認為磁場的加入增加了鐵素體轉變的 驅動力 并在臨界形核勢壘處增加一個磁場附加能項 使得臨界形核勢壘降低 i 臨界形核勢壘可以表述如下 6 8 7 0 7 1 1 g 口 詈兀吃乙 x t y 毛乎了 j i 十uj 1 6 式中 為0 c 鐵的摩爾體積 a g 為形成新相時的摩爾g i b b s 自由能變化值 g m 為 磁場附加能 o 為界面能 磁場下的形核率可以表示為 6 8 7 q k e x p 一百a g a e 啾一百q 1 7 式中丘是與母相跳躍相關的量 q 為母相擴散激活能 功波爾茲曼常數 從式 1 7 中可以看出 形核率隨著臨界形核勢壘的下降而增加 鐵素體的晶粒度與生長速度相關 生長速度v 的表達式如下 v 錙州一華 管 m 8 式中 彳2 為鐵素體晶粒接納原子的幾率 為鐵素體晶粒體積 刀為奧氏體晶粒 中參與擴散的數量 l 為擴散速度 從中可以看出隨著磁場的加入生長速度增大 另外 比較外磁場作用下鐵素體的形核率和其長大速度的計算公式 可以知 道磁場能對鐵素體形核率的影響比對晶粒長大速度的影響要大許多 而且相變時 間隨著磁通密度變化的實驗結果表明相變時間隨著磁場強度的增加而縮短 不同 磁場下鐵素體轉變量與冷卻時間的關系如圖1 5 1 7 0 1 所示 第一章緒論 寥 邑 崧 求 酬 咚 冷卻時間f s 圖1 5 冷卻時間與鐵素體轉變量 w t 的關系 f i g 1 5 t h e r e l a t i o n s h i po fc o o l i n gt i m ea n dm a s sp e r c e n to ff e r r i t e 7 0 年代末 p u s t o v o i t 和y 0 7 2 將1 2t 的磁場施加在高碳鋼奧氏體的轉變過程 中 發(fā)現由奧氏體轉變?yōu)殍F素體的數量明顯增加 p a l m a i l 7 2 1 發(fā)現o 4 5t 的磁場可 使0 6 c w t 鋼的鐵素體向奧氏體的逆轉變受到抑制 p e t e r s 和m i o d o w n i k 乃 的實驗結果表明 磁場使f e c o 合金的相平衡邊界向高溫移動 g h o s h 等研究者1 7 4 1 發(fā)現外磁場可明顯加快高碳高鉻a i s i d 3 鋼奧氏體到珠光體及奧氏體到貝氏體的 等溫轉變過程 e n o m o t o 及其合作者1 7 5 將7 5t 的磁場應用于f e c 合金的先共析轉 變 結果發(fā)現在居里溫度以上及以下磁場均可明顯加快其轉變速度 在磁場下鋼的奧氏體 鐵素體轉變的形貌也產生了變化 出現了鏈狀組織 這種組織最初發(fā)現于外磁場 8t 作用下f e o 1 c 和f e o 6 c 合金 7 6 7 刀的鐵 素體向奧氏體的轉變過程中 奧氏體呈鏈狀沿磁場方向分布于鐵素體基體內 s h i m o t o m a i 等研究者將其形成原因歸結為順磁態(tài)奧氏體晶核的磁偶相吸作用 因為鐵素體呈鐵磁性 奧氏體可視為鐵素體基體內的磁空洞 進而將1 2t 的強 磁場應用于f e 0 6 c 鋼 f e 0 1 c 0 2 s i 1 3 m n 0 1 n 和f e 0 1 c 0 2