外磁场对铁基合金中相变热力学及动力学的影响

论文摘要

外磁场下铁基合金的相变热力学及相变动力学已成为材料学的研究热点之一。大量的研究结果表明,在外磁场的作用下,铁基合金的微观组织会发生变化,通过控制外磁场强度及热处理温度,可以达到改善合金机械性能的目的。到目前为止,外磁场下铁基合金的相变热力学及相变动力学的研究还很有限。本论文对外磁场下纯铁及铁基合金的磁学性能、相变热力学和相变动力学进行了理论计算,其主要研究结果如下:（1）采用分子场理论对不同外磁场下纯铁及铁基合金的磁化强度进行了计算,并定义磁化强度一温度曲线的拐点为居里温度,从而计算了外磁场下的居里温度。结果表明磁化强度及居里温度随外磁场强度的增加而提高。（2）考虑了外磁场对α相Gibbs自由能的影响,并计算了纯Fe,Fe-C,Fe-Si, Fe-Mo,Fe-Cr和Fe-Mo-Si各体系中的α/γ相平衡,结果表明α相随外磁场强度的增加越来越稳定,其相区越来越大。（3）根据无外磁场时的扩散系数计算模型,首次推导了外磁场下的扩散系数计算模型,并利用外磁场下的扩散系数计算模型对α-Fe自扩散系数及Ni和Co在α-Fe中的扩散系数进行了计算。计算结果表明扩散系数随温度的降低而减小,随外磁场强度的增加而减小,而且在居里点附近减小得较显著,lgD-T曲线也变得圆滑。（4）利用经典形核理论及晶体生长模型,并考虑外磁场对相变驱动力的影响,计算了外磁场下纯铁及Fe-1C（at.%）合金中γ→α相变的形核势垒、临界形核半径、形核率、晶体生长速度和TTT曲线。结果表明外磁场下形核势垒和临界形核半径减小,形核率与生长速度都增大,且形核率比生长速度增大得更明显, TTT曲线的鼻温升高,相转变时间缩短。因此本研究的计算结果很好地符合晶粒细化的必要条件,从而解释了外磁场下α相晶粒能够得到细化的原因。本论文的研究结果为外磁场下纯铁及铁基合金的居里温度、相平衡和相变动力学的实验研究提供了重要的理论指导。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 外磁场在材料制备过程中的应用
• 1.2.1 外磁场在材料热处理过程中的应用
• 1.2.2 外磁场下烧结对材料性能的影响
• 1.2.3 外磁场对金属凝固组织的影响
• 1.3 外磁场对固态相变的影响
• 1.3.1 外磁场下的马氏体转变
• 1.3.1.1 外磁场对马氏体转变点（Ms） 及其转变动力学的影响
• 1.3.1.2 外磁场诱发马氏体转变的转变量及形貌变化
• 1.3.2 外磁场下的铁素体转变
• 1.3.2.1 外磁场对奥氏体-铁素体相平衡的影响
• 1.3.2.2 外磁场对铁素体转变动力学及微观形貌的影响
• 1.4 外磁场对原子扩散的影响
• 1.5 外磁场处理技术的展望与未来急需解决的问题
• 1.6 本研究工作的内容，目的及意义
• 第二章 外磁场对纯铁和铁基合金的磁化强度及居里温度的影响
• 2.1 分子场理论
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 纯铁及铁基合金的磁化强度随外磁场强度的变化
• 2.2.2 纯铁及铁基合金的居里温度与外磁场的关系
• 2.3 小结
• 第三章 外磁场下纯铁及铁基合金的α（bcc）/γ（fcc） 相平衡
• 3.1 相图热力学计算原理及模型
• 3.1.1 相图热力学计算原理
• 3.1.2 热力学模型
• 3.1.3 磁自由能模型
• 3.1.4 外磁场下的相平衡计算
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 外磁场对纯铁α相的Gibbs 自由能的影响
• 3.2.2 外磁场对纯铁及铁基合金的α/γ相平衡的影响
• 3.2.2.1 外磁场对纯铁中α/γ相变温度的影响
• 3.2.2.2 外磁场对Fe-C 二元系中α/γ相平衡的影响
• 3.2.2.3 外磁场对Fe-Mo 二元系中α/γ相平衡的影响
• 3.2.2.4 外磁场对Fe-Si 二元系中α/γ相平衡的影响
• 3.2.2.5 外磁场对Fe-Cr 二元系中α/γ相平衡的影响
• 3.2.2.6 外磁场对Fe-Mo-Si 三元系中α/γ相平衡的影响
• 3.3 小结
• 第四章 外磁场对磁性原子在α-Fe 中扩散系数的影响
• 4.1 固态扩散
• 4.1.1 固态扩散的分类及扩散条件
• 4.1.2 扩散基本定律
• 4.1.3 扩散机制
• 4.1.4 影响扩散的因素
• 4.2 外磁场下磁性原子在α-Fe 中的扩散系数计算模型
• 4.2.1 无外磁场时的扩散系数计算模型
• 4.2.1.1 磁性对扩散激活能的贡献
• 4.2.1.2 扩散系数计算模型
• 4.2.2 外磁场下扩散系数计算模型的提出
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 外磁场对纯铁自扩散系数的影响
• 4.3.2 外磁场对Co 和Ni 在α-Fe 中扩散系数的影响
• 4.4 小结
• 第五章 外磁场对纯铁及Fe-1C （at. %） 合金中α/γ相变动力学的影响
• 5.1 外磁场下相变动力学的计算模型
• 5.1.1 无外磁场时相变动力学的计算模型
• 5.1.2 外磁场下纯铁及铁碳合金中γ→α相变形核率及纯铁α相生长速度的计算
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 外磁场对纯铁及Fe-1C （at. %） 合金中γ→α相变的临界形核半径和形核势垒的影响
• 5.2.2 外磁场对纯铁及Fe-1C （at. %） 合金中γ→α相变的形核率的影响
• 5.2.3 外磁场对纯铁中γ→α相变的晶体生长速度的影响
• 5.2.4 外磁场对纯铁及Fe-1C （at. %） 合金中γ→α相变的TTT 曲线的影响
• 5.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 硕士期间发表的学位论文
• 致谢