强磁场下高纯Fe-C合金先共析铁素体显微组织形貌的形成与演变机理

论文摘要

强磁场作为一种极端实验条件已经被广泛用于材料热处理的研究,其中强磁场对Fe-C合金扩散型固态相变的影响机理的研究是前沿热点问题之一,具有广阔的创新空间。因此,本文选用高纯亚共析Fe-C合金为实验材料,排除了合金元素或杂质元素的影响,利用12T超导稳恒强磁场热处理装置进行不同工艺条件的非磁场和强磁场热处理对比实验,并借助于金相分析及SEM-EBSD分析等研究手段对先共析铁素体的显微组织形貌及晶体学取向特征进行分析,系统地研究了强磁场下高纯Fe-C合金先共析铁素体显微组织形貌的形成和演变机理。这对于进一步丰富强磁场材料学理论和利用强磁场热处理方法控制钢铁材料组织和性能具有重要的意义。强磁场下不同工艺条件热处理后的实验结果一致表明：强磁场能够显著抑制高纯Fe-0.36%C合金和Fe-0.52%C合金先共析铁素体转变过程中的针片状的先共析魏氏组织铁素体显微组织形貌的形成,同时促使先共析铁素体晶粒形成沿磁场方向伸长且呈链状排列的显微组织形貌。前者是由于强磁场通过增大奥氏体与先共析铁素体之间的磁自由能差显著增加了先共析铁素体转变的驱动力,从而改变了先共析铁素体转变的热力学条件所致。后者主要是由于强磁场所造成的磁偶极子相互作用和退磁场（退磁场能）的作用共同所致。此外,尽管强磁场下先共析铁素体晶粒形成沿磁场方向伸长且呈链状排列的显微组织形貌,具有明显的微观组织择优取向,但SEM-EBSD晶体学取向分析结果并未发现先共析铁素体晶粒具有明显的晶体学择优取向,从而在一定程度上排除了与晶体学取向密切相关的磁晶各向异性和磁致伸缩对先共析铁素体晶粒显微组织形貌的形成和演变的影响作用。强磁场热处理时,提高磁场强度、适当降低奥氏体化温度、缩短退火保温时间和减小退火冷却速度均能够抑制甚至消除高纯亚共析Fe-C合金中的针片状的魏氏组织铁素体显微组织的形成。据此提出了一种消除亚共析钢中粗大魏氏组织的强磁场真空退火工艺方法,以此为基础申请的发明专利已经公开。强磁场条件下,随着高纯Fe-C合金的含碳量增加,先共析铁素体晶粒沿强磁场方向伸长且呈链状排列的程度不断减弱。这是由于含碳量增加导致先共析铁素体转变量减少,从而引起先共析铁素体晶粒之间的磁偶极子相互作用减弱,同时含碳量增加也导致先共析铁素体转变温度范围降低,从而引起Fe原子和C原子的扩散更加困难抑制了先共析铁素体晶粒沿磁场方向伸长长大所致。并由此提出一种在含碳量较低的Fe-C合金的先共析铁素体转变初期或含碳量接近共析成分的Fe-C合金中,先共析铁素体晶粒（晶核）之间距离较远的情况下适用的磁偶极子模型。强磁场热处理时,不同的样品摆放方式对高纯Fe-0.36%C合金和Fe-0.52%C合金先共析铁素体转变后的显微组织形貌的影响十分显著。由于板状样品的面法线方向与磁场方向垂直时作用于整个样品上的退磁场强度更低,从而引起作用于整个样品中的有效磁场强度更高,最终导致样品显微组织中针片状的先共析魏氏组织铁素体含量更少,同时先共析铁素体晶粒沿磁场方向伸长且呈链状排列的程度更高,总的先共析铁素体面积百分含量增加得更多。这也进一步验证了由强磁场所引起的退磁场对先共析铁素体显微组织形貌的形成和演变的影响作用。在强磁场下对Fe-0.12%C合金进行顺磁居里温度以上的等温转变实验,结果表明：即使在顺磁居里温度以上进行等温转变,先共析铁素体晶粒也呈现沿磁场方向伸长且呈链状排列的趋势。同时利用强磁场下先共析铁素体晶粒之间的磁偶极子相互作用模型对该现象进行了理论解析,进一步弄清了强磁场下先共析铁素体晶粒沿磁场方向伸长且呈链状排列显微组织形貌的形成机理。利用纯铁和高纯Fe-0.76%C合金组成的扩散偶研究了12T强磁场对与磁场施加方向相同、相反及垂直方向上的碳在γ-Fe中的扩散行为的影响。结果表明：强磁场显著抑制γ-Fe中与磁场方向垂直方向上的碳的扩散,而对与磁场方向相同和相反方向上的碳的扩散稍有促进作用。同时从强磁场对不同含碳量的γ-Fe的磁自由能的降低程度不同以及强磁场对γ-Fe中的铁原子之间的磁偶极子相互作用导致碳的扩散呈现各向异性两个角度阐明了强磁场对碳在γ-Fe中的扩散行为的影响机理。并据此推测强磁场对γ-Fe中的碳的扩散的各向异性作用可能是引起先共析铁素体晶粒形成沿磁场方向伸长且呈链状排列显微组织形貌的原因之一。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 强磁场对铁系合金非扩散型固态相变的影响
• 1.1.1 强磁场对马氏体转变的影响
• 1.1.2 强磁场对贝氏体转变的影响
• 1.2 磁场对铁系合金扩散型固态相变的影响
• 1.2.1强磁场对Fe-C合金相图（相平衡）的影响
• 1.2.2 强磁场对铁系合金铁素体转变的影响
• 1.2.3 强磁场对铁系合金珠光体转变的影响
• 1.2.4 强磁场对金属材料中的合金元素扩散的影响
• 1.3 本文的研究目的与主要内容
• 第2章 强磁场对高纯Fe-C合金先共析铁素体显微组织形貌的影响
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料与实验方法
• 2.2.1 实验材料及制备
• 2.2.2 退火实验样品的截取、退火实验装置及退火工艺
• 2.2.3 金相组织观察及测量
• 2.2.4 EBSD测定
• 2.3 实验结果
• 2.3.1 不同磁场强度退火的实验结果
• 2.3.2 强磁场下不同奥氏体化温度退火的实验结果
• 2.3.3 强磁场下不同保温时间退火的实验结果
• 2.3.4 强磁场下不同冷却速度退火的实验结果
• 2.3.5 不同含碳量的Fe-C合金的强磁场退火实验结果
• 2.4 讨论
• 2.4.1 非磁场条件下针片状的先共析魏氏组织铁素体的形成机理
• 2.4.2 强磁场对先共析铁素体转变的影响
• 2.4.3 强磁场下磁场强度、热处理工艺参数、Fe-C合金含碳量及样品摆放方式对先共析铁素体转变的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 强磁场对Fe-0.12%C合金顺磁居里温度以上先共析铁素体等温转变的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与方法
• 3.3 实验结果
• 3.4 讨论
• 3.5 本章小结
• 第4章 强磁场对碳在γ-Fe中的扩散行为的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料与方法
• 4.3 实验结果
• 4.4 讨论
• 4.5 本章小结
• 第5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