强磁场对Fe-C相图及高碳钢显微组织的影响

论文摘要

本论文尝试用LFG热力学模型并结合磁学分子场理论模拟计算了强磁场下Fe-C二元相图（固态）及其主要相区的面积；系统研究了强磁场下高纯Fe-0.76%C和Fe-1.1%C合金显微组织形貌的形成和演变机理。相图的模拟计算结果表明：Ae1线、GP线、Ae3线向高温方向移动；Aecm线基本保持不变；共析点向高碳和高温方向移动,其变化幅度随磁场强度的增加而增加。强磁场对Fe-C二元相图中主要相区面积影响表现为：随磁场强度的增加α单相区面积和α+γ两相区面积增加,γ+Fe3C两相区面积减小。在固态相变经典形核理论基础上,引入由磁场引起的奥氏体与先共析铁素体之间的磁自由能差解释了强磁场使Fe-0.76%C合金显微组织中先共析铁素体晶粒数明显增加,且随磁场强度的增加先共析铁素体晶粒数不断增加的实验现象。并且阐明了强磁场通过增大该磁自由能差而显著降低先共析铁素体临界形核尺寸和晶核形成功及增加形核率导致先共析铁素体晶粒数增多的机理。在Fe-0.76%C合金的奥氏体转变过程中,由于外加强磁场的作用造成先共析铁素体晶核与奥氏体原子成为磁偶极子,由于它们之间的相互作用使先共析铁素体晶粒沿磁场方向长大,从而导致先共析铁素体晶粒的伸长方向与磁场方向之间夹角的平均值变小,而且随磁场强度的增加,先共析铁素体的伸长方向与磁场方向之间夹角的平均值逐渐减小。不同的样品摆放方式对Fe-0.76%C合金先共析铁素体晶粒沿磁场方向长大趋势影响明显。由于退磁场的作用造成的面法线方向与磁场方向平行的样品的有效磁场强度比面法线方向与磁场方向垂直的样品的有效磁场强度小,从而导致面法线方向与磁场方向垂直的Fe-0.76%C合金的先共析铁素体晶粒的伸长方向与磁场方向之间夹角更小,先共析铁素体晶粒沿磁场方向长大趋势更明显。随磁场强度的增加Fe-C合金的共析点向高温方向移动幅度越大,所以奥氏体向珠光体开始转变的共析温度也不断增加,由此导致Fe-0.76%C合金显微组织中珠光体平均片间距呈不断增加的趋势。强磁场通过增加共析温度而显著增加Fe-0.76%C合金显微组织中先共析铁素体面积百分含量及共析点所对应的含碳量,且随磁场强度的增加先共析铁素体面积百分含量及共析点所对应的含碳量增加幅度越大。同时通过减少珠光体面积百分含量和增加先共析铁素体含量及增加珠光体片间距而降低样品宏观硬度。强磁场对Fe-1.1%C合金显微组织中“反常”组织影响十分明显。强磁场通过降低铁素体转变所需自由能使样品的显微组织中的“反常”组织面积百分含量明显增多。由于随着磁场强度的增加Ael线向高温方向移动,导致随着磁场强度的增加“反常”组织转变被迫提前终止而进入珠光体的转变的温度区域进行珠光体转变,由此造成随着磁场强度的增加Fe-1.1%C合金中“反常”组织面积百分含量增加之后逐渐减少的实验现象。由于面法线方向与磁场方向平行的Fe-1.1%C合金样品的有效磁场强度比面法线方向与磁场方向垂直的样品的有效磁场强度小,而且此时的磁场强度（大于4T）已经大到足以停止“反常”组织的转变而进入珠光体的转变的温度区域,从而导致面法线方向与磁场方向平行的样品中的“反常”组织面积百分含量比面法线方向与磁场方向垂直的样品中的“反常”组织面积百分含量多。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 强磁场对Fe系合金固态相变的影响
• 1.2.1 强磁场对奥氏体晶粒的影响
• 1.2.2 强磁场对马氏体转变的影响
• 1.2.3 强磁场对贝氏体转变的影响
• 1.2.4 强磁场对Fe-系合金回火转变的影响
• 1.2.5 强磁场对先共析铁素体转变的影响
• 1.2.5.1 强磁场对先共析铁素体面积百分含量的影响
• 1.2.5.2 强磁场对先共析铁素体晶粒的影响
• 1.2.5.3 强磁场对先共析铁素体组织形貌的影响
• 1.2.6 强磁场对珠光体转变的影响
• 1.2.7 强磁场对魏氏体转变的影响
• 1.2.8 强磁场对二次渗碳体转变的影响
• 1.3 强磁场下Fe-C合金相图模拟计算研究
• 1.3.1 利用KRC统计热力学模型计算
• 1.3.2 利用其他热力学公式模拟计算
• 1.4 强磁场对Fe系合金力学性能的影响
• 1.5 本文的研究目的与主要内容
• 第二章 模拟计算Fe-C相图
• 2.1 引言
• 2.2 磁场下相图构建过程
• 2.3 模拟计算结果
• 2.3.1 Fe-C相图
• 2.3.2 与其它研究者计算结果对比
• 2.3.3 主要相区面积变化规律
• 2.4 本章小结
• 第三章 强磁场对Fe-0.76%C合金显微组织及性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与实验方法
• 3.2.1 实验材料及样品制备
• 3.2.1.1 冶炼过程
• 3.2.1.2 热锻处理
• 3.2.1.3 扩散退火和完全退火热处理
• 3.2.2 磁场热处理设备及样品摆放
• 3.2.3 显微组织观察
• 3.2.4 先共析铁素体面积百分含量测定
• 3.2.5 共析点所对应含碳量的计算
• 3.2.6 先共析铁素体晶粒数的测定
• 3.2.7 先共析铁素体的伸长方向与磁场方向之间夹角的测定
• 3.2.8 珠光体片间距测定
• 3.2.9 硬度测试
• 3.3 热处理工艺及实验结果
• 3.3.1 磁场强度对Fe-0.76%C合金显微组织的影响
• 3.3.1.1 热处理工艺
• 3.3.1.2 实验结果
• 3.3.2 冷却速度对Fe-0.76%C合金显微组织的影响
• 3.3.2.1 热处理工艺
• 3.3.2.2 实验结果
• 3.3.3 奥氏体化保温时间对Fe-0.76%C合金显微组织的影响
• 3.3.3.1 热处理工艺
• 3.3.3.2 实验结果
• 3.3.4 奥氏体化温度对Fe-0.76%C合金显微组织的影响
• 3.3.4.1 热处理工艺
• 3.3.4.2 实验结果
• 3.4 分析与讨论
• 3.4.1 强磁场对先共析铁素体转变的影响
• 3.4.1.1 强磁场对先共析铁素体面积百分含量及共析点对应含碳量的影响
• 3.4.1.2 强磁场对先共析铁素体晶粒数的影响
• 3.4.1.3 强磁场对先共析铁素体伸长方向与磁场方向的夹角的影响
• 3.4.1.4 强磁场对珠光体片间距的影响
• 3.4.1.5 强磁场对宏观硬度的影响
• 3.4.2 强磁场下样品摆放方式对先共析铁素体的影响
• 3.4.3 强磁场下不同热处理工艺参数对先共析铁素体的影响
• 3.4.3.1 强磁场下退火冷却速度对先共析铁素体转变的影响
• 3.4.3.2 强磁场下奥氏体化温度和保温时间对先共析铁素体转变的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 强磁场对Fe-1.1%C合金显微组织中"反常"组织的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与实验方法
• 4.2.1 实验材料及样品制备
• 4.2.2 磁场热处理设备及样品摆放
• 4.2.3 显微组织观察
• 4.2.4 二次渗碳体及铁素体面积百分含量测定
• 4.2.5 EBSD测定
• 4.2.6 二次渗碳体与铁素体之间取向关系的计算
• 4.3 热处理工艺及实验结果
• 4.3.1 磁场处理前样品显微组织
• 4.3.2 磁场强度对"反常"组织的影响
• 4.3.2.1 热处理工艺
• 4.3.2.2 实验结果
• 4.3.3 冷却速度对"反常"组织的影响
• 4.3.3.1 热处理工艺
• 4.3.3.2 实验结果
• 4.3.4 奥氏体化保温时间对"反常"组织的影响
• 4.3.4.1 热处理工艺
• 4.3.4.2 实验结果
• 4.3.5 奥氏体化温度对"反常"组织的影响
• 4.3.5.1 热处理工艺
• 4.3.5.2 实验结果
• 4.3.6 "反常"组织之间的取向关系
• 4.4 分析与讨论
• 4.4.1 非磁场条件下"反常"组织形成机理
• 4.4.2 强磁场对"反常"组织的影响
• 4.4.2.1 磁场强度对"反常"组织的影响
• 4.4.2.2 强磁场下样品摆放方式对"反常"组织的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 博士生期间发表及待发表的论文目录
• 附录