人妻综合网,深夜影院操一操,中文字幕有码在线播放,欧美精品第1页

【摘要】磁場對固態(tài)相變有著顯著的影響，通過相變控制材料的組織和性能。目前已經(jīng)研究了磁場對鐵基合金的鐵素體相變，珠光體相變，貝氏體相變及馬氏體相變。從熱力學(xué)方面闡述了磁場對相變溫度和相圖的影響，分別討論了磁場對相變行為、相變組織以及力學(xué)性能的影響。

【關(guān)鍵字】鐵素體，珠光體，貝氏體，馬氏體，磁場，相變溫度，相變組織，力學(xué)性能

 

      磁場熱處理就是在熱處理過程中，通過施加外加磁場以改變材料的組織及性能的熱處理技術(shù)。磁場熱處理于1959年由美國的RDCA公司的Bassett提出，近年來，利用強磁場的熱處理來改善材料的組織和性能已經(jīng)成為一個熱點話題。人們對鐵基合金強磁下的熱處理研究較為廣泛^[1-7]。早在1973年P(guān)eters and Miodownik^[8]在研究中指出磁場能提高α→α+γ和γ→α+γ的相變溫度。

Fe-0.4C合金在強磁場作用下，發(fā)生鐵素體相變后的兩相組織沿磁場方向被拉長并呈線性排列，被拉長組織是在晶核長大階段形成。當(dāng)相變溫度低于居里溫度時，被拉長的程度隨轉(zhuǎn)變溫度的升高而增大，而當(dāng)相變溫度高于居里溫度時被拉長的程度隨相變溫度的升高而減小，但是在共析鋼中并沒有發(fā)現(xiàn)組織沿磁場方向被拉長的現(xiàn)象^[9-12]。Koyama^[13]建立了熱磁處理過程Fe-0.4C合金(α+γ)微觀組織拉長呈線性排列的相場模型。在γ相形成的初始階段，磁能導(dǎo)致各向異性的碳原子擴散，從而使(α+γ)兩相組成沿磁場方向被拉長。Wang^{[14, 15]}在梯度磁場研究中發(fā)現(xiàn)：由于極化作用和磁力的結(jié)合，使相變后的兩相組織沿梯度磁場方向被拉長。Gong^{[16, 17]}發(fā)現(xiàn)在磁場作用下，F(xiàn)e-0.76%C合金在共析點的先共析鐵素體轉(zhuǎn)變量和碳的含量隨著磁場強度增加而增大，這主要是因為磁場使共析點向高碳和高溫方向移動，從而提高了鐵素體的開始轉(zhuǎn)變溫度。對亞共析鋼中先共析鐵素體的研究較多^[18]，而對過共析鋼中先共析滲碳體的研究較少，Zhang^[19]對強磁場作用下過共析鋼奧氏體分解微觀組織形貌研究中發(fā)現(xiàn)：磁場能降低先共析滲碳體的含量，增大珠光體的片層間距，降低鐵素體中低角度錯誤取向的頻率。

      對中碳鋼施加穩(wěn)恒磁場，磁場能提高生成相鐵素體的含量，促進相變發(fā)生，但是對晶體學(xué)取向分布幾乎沒有影響^[20]。當(dāng)冷卻速度較慢時，磁場促進先共析鐵素體晶粒沿磁場方向形成被拉長的晶粒組織^[21]；當(dāng)冷卻速度較快時，磁場降低了低角度錯誤取向的數(shù)量并提高了CSL(兩晶粒間的重位點陣)晶界的數(shù)量，此外在垂直于磁場方向<001>方向組織成分有少量的增大^[22]。Choi^[23]和Joo^{[24, 25]}研究了外加磁場對相圖的影響，強磁場的存在使A_c1和A_c3溫度提高，而對A_cm溫度的變化幾乎沒有影響，這樣磁場使整個相圖上移。Fe-C-Mn合金在磁場熱處理過程中，隨著磁場強度的增加，鐵素體含量增多，韋氏硬度值則成比例減小。當(dāng)Mn的含量一定時，隨著碳的含量的增多磁場對合金的影響越大^[26]；在較高溫度下，Mn能降低磁矩和居里溫度，使晶核生長速度減慢^[27]。有關(guān)磁場對馬氏體相變的影響的報道有很多^[28-34]，主要從以下幾個方面對馬氏體的相變進行討論，(Ⅰ)磁場對馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度的影響；(Ⅱ)磁場對馬氏體轉(zhuǎn)變速率的影響；(Ⅲ)磁場對片狀馬氏體形貌及排列的影響。由于磁場對固態(tài)相變的影響非常重要，因此本文討論了磁場對固態(tài)相變影響的熱力學(xué)分析，磁場對固態(tài)相變過程及產(chǎn)物形貌的影響以及磁場熱處理對材料性能的影響。

 

      固態(tài)相變分為擴散型相變和非擴散型相變，擴散型相變是指形核與長大都需要原子擴散，原子被激活后克服能壘障礙進入新相，典型的擴散型相變是鐵素體與奧氏體之間的轉(zhuǎn)變。非擴散型相變不需要原子擴散，原子不靠激活進入新相，典型的非擴散型相變是馬氏體相變。相變的過程取決于相變熱力學(xué)和相變動力學(xué)。從熱力學(xué)角度，相的Gibbs自由能決定相的穩(wěn)定性，Gibbs自由能越小，該相越穩(wěn)定。從動力學(xué)角度，磁場是通過影響位錯和晶界而影響相變。圖1表示不同磁場強度下鐵碳相圖中γ/α和γ/Fe₃C的相變，隨著磁場強度的增加，Ac₁、Ac₃、共析溫度和共析點的含碳量也隨之升高，但是磁場對Ac_m幾乎沒有影響^[23]。

      Ludtka^[35]對中碳鋼的相變在有無30T磁場情況下進行比較，冷卻速率為10℃/s，未施加磁場時，金屬潛熱釋放的起始溫度為670℃，而在施加磁場后，金屬潛熱釋放的起始溫度升高了約90℃。同樣在30T磁場下，分別以130℃/s、80℃/s和55℃/s冷卻速率冷卻，則相變溫度提高了70~90℃。通過連續(xù)冷卻實驗結(jié)果表明，30T磁場改變了中碳鋼的奧氏體相變動力學(xué)和熱力學(xué)。    Fukuda^[36]研究了磁場對Fe-10Co、Fe-20Co及Fe-30Co合金γ↔α相變溫度的影響，并得到以下結(jié)論：(Ⅰ)隨著磁場強度的增加，γ→α和α→γ的相變起始溫度也隨之升高；(Ⅱ)Fe-20Co和Fe-30Co合金的平衡溫度T₀，即(T_s^γ→α+T_s^α→γ)/2，與磁場成正比，而Fe-10Co合金的平衡溫度與磁場的平方成正比；(Ⅲ)在10T強磁場下，F(xiàn)e-10Co、Fe-20Co及Fe-30Co合金的平衡溫度分別提高了18、24和20K。隨后，研究了磁場對純鐵，F(xiàn)e-0.8C和Fe-25Co相變溫度的影響，在30T磁場下，相變溫度分別提高了29.0、31.2和48.4°C。利用Clausius–Clapeyron方程對結(jié)果進行分析^[37]，相變溫度升高的主要原因是磁場與相的磁矩的作用能，表達式為MdH，M表示磁矩，H表示磁場強度。因此，磁能的熱力學(xué)計算對于研究磁場對相變的影響非常重要。

      圖2是有磁場和無磁場作用下，鐵基合金自由能隨溫度變化的示意圖^[38]。p，m和H分別表示母相（奧氏體），生成相（馬氏體）和磁場強度，兩相自由能差ΔG為相變的驅(qū)動力。在不施加磁場時，溫度為T₀時，母相與生成相的自由能相等，此時兩相達到平衡，因此馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度M_s應(yīng)小于T₀，即G_p＞G_m，馬氏體相變才能夠發(fā)生。由于奧氏體是順磁性相，磁場對其自由能的影響很小，可以忽略不計。鐵磁性生成相在磁場作用下自由能降低，如虛線所示。因此，兩相自由能相等的平衡溫度由T₀升高至T₀￠，M_s也相應(yīng)增加到M_s￠。上述磁場對相變影響的基本原理也適用于鐵素體相變和珠光體相變等高溫擴散型相變。

      施加磁場能顯著影響固態(tài)相變行為及相變產(chǎn)物的數(shù)量、形態(tài)、尺寸和分布。通過磁晶各向異性和磁致伸縮來控制材料的組織。磁晶各向異性和磁致伸縮的起源相同，都是由電子自旋和軌道磁矩的耦合作用引起的。近年來，有關(guān)磁場對固態(tài)相變組織影響的報道很多，主要包括磁場對鐵素體相變、珠光體相變、貝氏體相變以及馬氏體相變組織的影響等。

      Shimotomai和Maruta^{[39, 40]}究了磁場對Fe-C合金反相轉(zhuǎn)變α→γ組織的影響，研究結(jié)果表明沿著磁場方向，順磁性γ相在鐵磁性母相α中呈鏈狀或柱狀線性分布。如圖3(a)(b)所示為8T強磁場下Fe-0.1%C合金在800℃保溫45min的微觀組織，(a)和(b)分別表示橫斷面平行和垂直于磁場方向。圖3(c)為無磁場作用下相同熱處理的微觀組織。黑色區(qū)域為反向轉(zhuǎn)變得到的面心立方奧氏體相經(jīng)水淬后的馬氏體組織，即沿著磁場方向呈鏈狀分布，如圖3(a)所示，并且組織分布均勻，如圖3(b)所示。而圖3(c)中組織分布不均勻也沒有鏈狀組織形成。同樣施加8T強磁場，F(xiàn)e-0.6%C合金在745℃保溫45min，反向轉(zhuǎn)變得到的奧氏體相的含量明顯增多，沿著磁場方向呈條紋狀分布，垂直于磁場方向呈網(wǎng)格分布?？梢姡?a target="_blank">奧氏體的轉(zhuǎn)變程度與溫度和碳含量有關(guān)。磁場的應(yīng)用使鋼的組織沿著磁場方向呈線性分布，從而可以控制材料的組織和機械性能。各向異性的磁力促進晶粒之間首尾相連，這種粒子間相互吸引的力導(dǎo)致晶粒沿著磁場方向呈鏈狀，柱狀或者更復(fù)雜的網(wǎng)狀分布。隨后，又對奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變進行研究，發(fā)現(xiàn)與反向轉(zhuǎn)變有相似的線性組織，通過分析鐵素體在奧氏體中的形核和長大來研究線性組織的形成機理，結(jié)果表明，靜磁能和界面能的平衡是線性排列的鐵素體晶粒形成的原因。

 

(a)橫斷面平行于8T磁場方向;(b)橫斷面垂直于磁場方向;(c)無磁場作用下的熱處理組織

      鐵素體晶核的磁化作用導(dǎo)致晶核一端為北極，另一端為南極。當(dāng)沿著熱軋方向施加磁場時，鐵素體晶核沿磁場方向呈線性排列，磁場使晶核的南極剛好在另一個晶核北極的上方，如圖4所示^[41]。形核的位置主要在奧氏體晶界，特別是三聯(lián)點的位置。南北極的相互作用能降低整個系統(tǒng)自由能，進一步推動鏈狀鐵素體的形成。鐵素體晶粒間的相互吸引隨著磁場強度的增加而增大，線性排列的趨勢也越明顯。在轉(zhuǎn)變過程中，過量的碳原子從形成的鐵素體晶核中擴散出來，鐵素體在碳富集區(qū)很難形成。當(dāng)溫度低于A_r1溫度時，這些區(qū)域?qū)⑥D(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，最后得到線性鐵素體和珠光體交替的組織。

       新型貝氏體鋼施加30T磁場，得到片層間距為50nm的珠光體組織，從金屬潛熱釋放和組織來分析得到磁場促進奧氏體的轉(zhuǎn)變，表現(xiàn)為兩方面，一方面促進珠光體的形成，另一方面提高了馬氏體的開始轉(zhuǎn)變溫度^[42]。Fe-0.12%C鋼在穩(wěn)恒磁場的作用下，珠光體沿著磁場方向被拉長，并且這種拉長的趨勢隨著磁場強度的增加而越明顯，這是由于先共析轉(zhuǎn)變的后期，鐵素體在已被拉長的鐵素體晶粒間預(yù)先形核，從而促進碳原子擴散進入鏈狀鐵素體間的奧氏體區(qū)。此外，磁場的作用與沿磁場方向樣品的幾何形狀有關(guān)^[43]。在8T磁場作用下，F(xiàn)e-0.4%C-2%Ni合金進行等溫珠光體相變，磁場促進先共析鐵素體和珠光體的相變。珠光體的體積分數(shù)隨著反應(yīng)溫度的降低而升高，在過冷情況下，磁場能提高珠光體相對于先共析鐵素體的比例。磁場使珠光體的片層間距降低了5%-15%，其實質(zhì)是提高了珠光體的生長速率。然而，在平衡γ/(γ+cem)相界附近，珠光體的碳含量降低^[44]。

      Fe-0.52C-0.24Si-0.84Mn-1.76Ni-1.27Cr-0.35Mo-0.13V鋼在1000℃奧氏體化保溫10min，然后在300℃保溫8min，采用氦冷卻至室溫，不加磁場與施加10T磁場的條件下，獲得組織如圖5所示^[45]。在磁場的作用下，貝氏體的體積分數(shù)明顯增大，其組織不像鐵素體呈線性排列，而是在奧氏體內(nèi)沿著各個方向分布。Fe-3.6Ni-1.5Cr-0.5C合金1150℃奧氏體化加熱15min，然后在490℃保溫10min，未施加磁場時，沒有觀察到貝氏體組織，而在10T磁場下晶界和晶粒內(nèi)部有少量貝氏體組織。由此可得到在10T磁場下，貝氏體的開始轉(zhuǎn)變溫度提高了約40℃^[46]。中碳鋼在快速冷卻過程中，施加磁場得到鐵素體和珠光體組織，而不施加磁場時得到貝氏體^[47]。外加磁場顯著提高貝氏體的相變速度和開始相變溫度，但不影響貝氏體的組織形態(tài)。

      Fe-1%C-1.5%Cr和Fe-0.3%C-3%Ni-0.6%C合金在16kG磁場下淬火得到馬氏體組織，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度改變約5℃，當(dāng)?shù)陀隈R氏體開始轉(zhuǎn)變溫度時，馬氏體的百分數(shù)提高了4%-9%。通過熱力學(xué)分析馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度和馬氏體百分數(shù)的改變，根據(jù)H(J_α-J_γ)/ΔT=ΔG^γ→α/T公式得出，馬氏體的轉(zhuǎn)變速率與自由能的改變成線性關(guān)系^[48]。在52100軸承鋼和410不銹鋼馬氏體轉(zhuǎn)變過程中施加132kOe磁場，磁場使馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度提高，并與磁場強度成線性關(guān)系，但磁場對馬氏體的形核速率沒有影響^[49]。Fe-0.4C合金在穩(wěn)恒磁場作用下，在900℃固溶處理15min，然后水冷得到單相板條馬氏體，在750℃鐵素體和奧氏體兩相區(qū)再次加熱20min，使用氦氣快速冷至室溫。在熱處理過程中，通過反向轉(zhuǎn)變形成奧氏體，然后冷至室溫再次得到板條馬氏體。無磁場作用時，鐵素體為等軸晶，鐵素體和馬氏體分布均勻。有磁場作用時，板條馬氏體(即奧氏體晶粒)和鐵素體沿磁場方向線性分布，相反，當(dāng)再次加熱溫度改為770℃或是預(yù)先的奧氏體晶粒過大就不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。18Ni馬氏體時效鋼中，磁場使馬氏體反相轉(zhuǎn)變溫度提高，而在保溫過程中磁場抑制反相轉(zhuǎn)變行為^{[50, 51]}。42CrMo鋼淬火得到馬氏體后，然后在14T磁場中進行高溫回火，由于磁場增加了滲碳體和鐵素體的界面能和磁致伸縮應(yīng)變能，因此磁場能有效抑制滲碳體沿片狀馬氏體晶界和孿晶界有方向性的生長。圖6^[52]為42CrMo鋼淬火，650℃回火的碳化物形貌，不加磁場時，碳化物呈條片狀或粒狀，大多數(shù)條片狀碳化物平行排列，施加磁場條件下，碳化物為短棒狀和粒狀，但磁場對滲碳體的形核位置和數(shù)量無明顯影響。