（材料学专业论文）电、磁场对中碳钢冷却转变和monel合金时效硬化的影响.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 电、磁场对中碳钢冷却转变和m o n e l 合金时效硬化的影响 摘要 作为一个重要的处理手段，材料电磁过程( e p m ) 对金属和合金的微观组织结 构影响显著，这一点目前已经引起材料界学者的广泛关注。出于探索和发现外场 ( 磁场和电场) 在材料微观组织调控过程中的作用，本文进行了以下两个方面的 研究，其一，研究了中碳钢( 4 2 c r m o 钢和4 5 钢) 在冷却转变过程中强磁场的影响 作用，其二，探讨了电场对m o n e lk 一5 0 0 合金时效硬化合金时效行为的影响。 对奥氏体化的4 2 c r m o 钢试样分别在磁场和非磁场条件下进行不同速度的连 续冷却( 1 。c m i n 、5 0 c m i n 、1 0 。c m i n 、2 3 。c m i n ) ，研究发现，在所采用的冷速条 件下，磁场与非磁场冷却试样中都出现了先共析铁素体沿轧向排列的现象，并且 这种沿轧向排列的趋势随冷速的降低而加剧，对于磁场下冷却试样，铁素体晶粒 带状排列倾向更加明显。众所周知，合金钢在熔炼的凝固和随后的热轧过程中会 沿轧向形成成分偏析带，如果在连续冷却转变过程中采用较慢的冷却速度将导致 先共析铁素体沿轧向呈带状分布。基于理论分析和现有的模拟结果，我们推测， 由于外磁场引入和成分偏析都将对钢的连续冷却转变动力学产生显著影响，二者 共同作用是造成轧向平行于磁场方向冷却的试样中出现铁索体沿磁场方向排列的 主要原因。此外，实验还发现，对于一定的冷速，磁场下冷却的试样中铁索体含 量较多；当冷速达到2 3 。c m i n 时，非磁场冷却试样中出现了铁素体、珠光体和贝 氏体的混合组织，而相应磁场下冷却试样的显微组织仍为平衡态组织。以上现象 应归因于磁场对相变动力学的影响。 为了在连续冷却过程中消除合金元素偏析对先共析铁素体分布的影响，对4 5 钢实施了预先处理，只在磁场冷却试样中发现了铁素体有沿磁场方向排列的趋势。 这显示，强磁场可显著影响铁磁性铁索体在顺磁性奥氏体基体中的形核过程。 对固溶处理m o n e lk - 5 0 0 合金分别进行时效时间不等的电场与非电场时效， 研究发现，电场提高了合金的时效硬度，加速了该合金的时效硬化过程。t e m 观 察结果表明，电场时效提高y 相粒子的形核率。与非电场时效2 h 、4 h 和8 h 样品 相比，相应的电场时效样品的y 相粒子的数量较多，且粒子尺寸和间距较小。电 场时效1 6 h 后，合金中出现新析出的细小球形粒子( 1 0 n m ) ，弥补了y 相粒子粗化 导致的硬度下降，可能是造成出现二次时效硬化峰的主要原因。 关键词：强磁场，冷却转变，4 2 c r m o 钢，4 5 钢，先共析铁素体，排列，偏析， 东北大学硕士学位论文摘要 电场，时效硬化，m o n e lk - 5 0 0a l l o y ，析出相 i i i 查! ! 查兰堡圭兰堡垒查 垒堕! 墨尘 e f f e c t so fm a g n e t i ca n de l e c t r i cf i e l do nc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o n i nm i d d l ec a r b o n s t e e l sa n d a g eh a r d e n i n g i nm o n e l a l l o y a b s t r a c t s a sak e yp r o c e d u r e ，e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go fm a t e r i a l s e p ma r ef o u n dt o h a v em u c hd i s t i n c te f f e c t so nm i c r o s t r u c t u r em o d i f i c a t i o no fm e t a l sa n da l l o y s ，w h i c h h a sa l r e a d ya r o u s e dw i d ea t t e n t i o na m o n gm a t e r i a l sr e s e a r c h e r s i no r d e rt of i n dm o r e e v i d e n c eo fm i c r o s t r u c t u r ec o n t r o lb ye x t e r n a lf i e l d ，t h ep r e s e n ts t u d yi sc a r r i e do u t w i t ht w oa i m s ，o n ei st o s t u d yt h e e f f e c to fm a g n e t i cf i e l do nm i c r o s t r u c t u r e d e v e l o p m e n td u r i n gt r a n s f o r m a t i o nf r o ma u s t e n i t et of e r r i t ei nm e d i u mc a r b o ns t e e l ， i e 4 2 c r m oa n d4 5s t e e l ，t h eo t h e ro n ei st oi n v e s t i g a t ea g e h a r d e n i n gb e h a v i o ru n d e r a ne l e c t r i cf i e l di nm o n e lk - 5 0 0 a l l o y , w h i c h i sk n o w na san i c k e l b a s ea g e - h a r d e n a b l e a l l o y 1 1 1 ef u l l ya u s t e n i t i z e d4 2 c r m os p e c i m e n sa r ec o o l e da tv a r i o u sr a t e s i e 1 。c m i n , 5 。c m i n , 1 0 0 c m i na n d2 3 0 c m i n r e s p e c t i v e l yw i t l la n dw i t h o u ta l la p p l i e dh i g h m a g n e t i cf i e l d ( 1 2 t ) i ti sf o u n dt h a t ，u n d e ra l lo f t h em e n t i o n e d a b o v ec o o l i n gr a t e s ， i nb o t ht h ec a s e s ( w i t h o u ta n dw i t h m a g n e t i cf i e l d ) ，t h ep r o e u t e c t o i df e r r i t eg r a i n st e n d t oa l i g nt h e m s e l v e sa l o n gt h er o l l i n gd i r e c t i o n s u c hat e n d e n c yb e c o m e se v e n s t r o n g e r 谢t l lt h ed e c r e a s eo fc o o l i n gr a t e e s p e c i a l l yf o rt h es p e c i m e n sc o o l i n gu n d e rt h e m a g n e t i c f i e l d i ti sw e l lk n o w nt h a ts o m e s e g r e g a t e d b a n d s m a yf o r md u r i n g s o l i d i f i c a t i o na n ds u b s e q u e n th o tr o l l i n ga n ds l o w e rc o o l i n gr a t e e m p l o y e dd u r i n g c o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o nw o u l dl e a dt oa i i g r t m e n t so fp r o e u t e c t o i df e r r i t e a l o n gt h er o l l i n gd i r e c t i o n b a s e do ns o m et h e o r e t i c a la n a l y s e sa n ds i m u l a t i o n sg i v e n b ys o m er e f e r e n c e s ，i ti st h u sp r e s u m e dt h a t ，f o rt h em a g n e t i c f i e l dc o o l i n gs p e c i m e n s w i t ht h er o l l i n gd i r e c t i o np a r a l l e lt ot h em a g n e t i cf i e l dd i r e c t i o n ，t h ea l i g n m e n t so f f e r r i t ea r ec a u s e dm a i n l yb yt h ef o l l o w i n gp r o c e s s e s ：t h ei n f l u e n c eo fk i n e t i c so f c o n t i n u o u sc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o nb ya na p p l i e dm a g n e t i cf i e l da n dt h ea l l o ye l e m e n t s e g r e g a t i o n i t i sa l s o f o u n d ，a t ag i v e nc o o l i n gr a t e ，t h e s p e c i m e nc o o l e du n d e r m a g n e t i cf i e l dh a sm o r ea m o u n to ff e r r i t et h a nt h a tw i t h o u ta p p l y i n ge x t e r n a lf i e l d w h e nc o o l i n gr a t ei sa b o u t2 3 。c m i n ，t h en o r m a l l yc o o l e d s p e c i m e nc o n s i s t s o f m i c r o s t r u c t u r e sw i t hm i x t u r e so f f e r r i t e ，p e a r l i t e a n d b a i n i t e ，w h e r e a s t h e i v 查! ! 垄兰堡主兰堡笙苎垒堕! 堂 m i c r o s t r u c t u r e sw i t h e q u i l i b r i u mp h a s e s a r e p r o d u c e d f o rt h e c o r r e s p o n d i n g m a g n e t i c f i e l dc o o l i n gs p e c i m e n s u c hp h e n o m e n aa r e a t t r i b u t e dt ot h ee f f e c to f m a g n e t i cf i e l do n t h ek i n e t i c so f p h a s et r a n s f o r m a t i o n s w i t ht h ea i mo fe l i m i n a t i n gt h es e g r e g a t i o ne f f e c to nt h ea l i g n m e n to f p r o e u t e c t o i d f e r r i t ed u r i n gc o o l i n gt r a n s f o r m a t i o n ，ap r e t r e a t e d4 5s t e e li su s e d a f t e r a u s t e n i t i z i n g ， s p e c i m e n sa r et h e ns u b j e c t e dt oc o o l i n gw i t h o u ta n dw i t hm a g n e t i cf i e l do f1 2 i a t e n d e n c yo fa l i g n m e n to ff e r r i t eg r a i n sa l o n gt h em a g n e t i c f i e l dd i r e c t i o na r es h o w n o n l yf o rt h em a g n e t i c f i e l dc o o l i n gs p e c i m e n s ，w h i c hi m p l i e st h ea p p l y i n go ff i e l d c o u l d c o n s i d e r a b l y i n f l u e n c et h en u c l e a t i o no f f e r r o m a g n e t i c f e r r i t e i n t h e p a r a m a g n e t i c a u s t e n i t em a t r i x s p e c i m e n so fs o l u t i o n t r e a t e dm o n e lk - 5 0 0a l l o ya r ea g i n ga t6 0 0 0 cf o rv a r i o u s p e r i o d sr a n g i n g f r o m2 ht o2 4 h ，r e s p e c t i v e l yw i t ha n dw i t h o u ta ne x t e r n a le l e c t r i cf i e l d ( e 。4 k v c m ) i ti sf o u n d t h a te l e c t r i c f i e l da g i n ga c c e l e r a t e st h ea g eh a r d e n i n g r e m o b s e r v a t i o ns h o wt h a tt h ey p a r t i c l e si nt h es p e c i m e n sa g e df o rl e s st h a n8 hw i t l l e l e c t r i cf i e l da r em o r en u m e r o u sa n df i n e rt h a nt h a ta g e do r d i n a r i l y , w h i c hi m p l i e st h a t t h en u c l e a t i o no f 矿p h a s ei sf a v o r e di nt h ec a s eo fe l e c t r i cf i e l da g i n g a f t e ra g i n gf o r 1 6 h ，l a r g eq u a n t i t i e so ff i n ep r e c i p i t a t e sw i t hs i z eo f 10 n ma r ef o u n dd i s t r i b u t i n g a r o u n dt h ep r i o r p r e c i p i t a t e dy p a r t i c l e si nt h ee l e c t r i c a l l y a g e ds p e c i m e n ，w h i c hi s c o n s i d e r e da st h ep o s s i b l er e a s o nf o rs e c o n d a r yh a r d e n i n gp e a ko c c u r r i n gi nt h e e l e c t r i c a l l ya g e ds p e c i m e n sd u r i n gt h ep r o l o n g e da g i n g ( 8 h ) k e yw o r d s ：h i g hm a g n e t i cf i e l d ，c o o l i n gt r a n s f o r m a t i o n ，4 2 c r m os t e e l ，4 5s t e e l ， p r o e u t e e t o i df e r r i t e ，a l i g n m e n t ，s e g r e g a t i o n ，e l e c t r i cf i e l d ，a g i n gh a r d e n i n g ，m o n e l k - 5 0 0 a l l o y , p r e e 啦i r a t e v 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 本人签名： 日期： 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 前言 第一章文献综述 随着科学的发展与进步，人们对于材料各种特殊性能的要求日益提高，如何 采用新的方法和手段以充分挖掘已有材料的性能潜力和开发新材料，成为当今世 界各国材料科学工作者致力研究的挑战性课题之一。金属原予固有的电性和磁性， 促使人们产生了将电磁场的强大能量应用于材料生产过程的想法。近年来，材料 电磁处理( e l e c t r o m a g n e t i ep r o c e s s i n go f m a t e r i a l s ，简称e p m ) 的研究引起了国内外 冶金与材料科学工作者的极大兴趣。所谓“材料电磁处理( e p m ) ”是指将电磁场 应用于材料制备和加工及处理过程，从而实现对材料工艺过程的控制及材料组织 和性能的改善。目前已形成许多学科交叉、工艺手段繁多及应用广泛的研究领域。 电磁场特别是超强电磁场在精炼、凝固成形、加工变形、组织性能控制等方面的 许多新现象和新功能被不断发现，有望涌现出新的冶金与材料科学理论和方法。 1 8 6 1 年g e r r a d i n 首次在铝一锡合金的熔融态下发现了电流可使金属中原子产 生定向移动，并把这种现象称之为电致迁移。此后，电场作为对物质的行为有深刻 作用的物理环境，在金属的制造与加工过程中得到了广泛的应用 1 。八十年代中 期以来，h c o m r a d 及其合作者们致力于电致迁移及电致塑性方面的研究，并做 了大量有益的工作。电场处理技术可以改善金属的性能，但是目前其研究尚处于 研究阶段。在该领域探索相对较为深入的仍然是美国的h c o m r a d 教授和他的合 作者们，他们在实验室中做了大量的工作，并发现电场处理对金属的超塑性，再 结晶，相变及金属中原子的扩散有显著的影响。 磁场在材料中的应用比电场较晚。1 9 5 5 年，z e m e r 大胆的预言【3 】磁场的应用 将对冶金领域产生广泛而深远的影响。经过近五十年的发展，电磁搅拌、电磁感 应加热已经应用到实际生产中，电磁铸造已接近于工业化生产。8 0 年代，随着低 温超导技术的日趋成熟，超导直流强磁场的广泛应用成为可能：9 0 年代初。非铁 磁性材料在强磁场中表现出一系列显著的强磁现象，如均恒磁场使磁各向异性的 非铁磁性材料取向【4 】、梯度强磁场控制顺磁性流体的流动和梯度强磁场使水、木 材、塑料、抗磁性金属悬浮 5 】等。这些强磁现象具有重大的理论研究价值和实际 应用价值，意味着磁场应用的范围有可能从传统的铁磁性材料扩大到整个材料领 1 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 域。 各国对材料电磁处理的研究也非常重视，日本相继成立了“材料电磁处理技 术( e p m ) 研究会”、“利用电磁力的新一代金属成型法国际研究促进会”，并于 1 9 9 5 年启动了“e p m 的新拓展”重大研究项目。新日铁等日本九大钢铁公司联 合瑞典a b b 公司和法国于齐诺尔公司实施了“金属电磁成型法一钢的连铸”的6 年开发计划，投资2 4 亿目元。韩国设立了1 9 9 8 2 0 0 7 年“h i p e r 。2 1 ”国家重大 规划项目，全面开展电磁力在凝固和材料制各中的作用机理研究。 我国关于冶金与材料电磁处理技术的系统研究始于8 0 年代后期。由于起步 晚、研究力量分散等原因，与国外研究机构相比，无论规模还是水平都存在一定 差距。在此背景下，东北大学集中校内有关方面科研骨干力量并同上海宝钢研究 院共同组建了国内第一家e p m 研究中心，1 9 9 8 年承担了国家“9 7 3 ”计划项目“新 一代钢铁材料( 超级钢) 的重大基础研究”中的“电磁场对钢铁材料组织细化及 均匀化的作用”课题，1 9 9 9 年又承担了国家“9 7 3 ”计划项目“提高铝材质量的 基础研究”中的“铝熔体电磁纯净化原理”、“外场作用下熔体结构及凝固动力学” 等课题。本论文的研究工作就是在这种背景下开展的。 1 2 材料的磁场处理技术概况 1 2 1 磁场的分类及应用简介 随着各种强磁现象的发现，磁场的应用范围也在不断扩大。目前，材料电磁 处理( e p m ) 使用的磁场主要有以下几种【6 7 】： ( 1 ) 由传统线圈产生的普通强度的直流磁场。主要用于控制液体的流动。例如，作 为电磁制动控制连铸结晶器内钢液的流动、抑制中间包内钢液的紊流等。 ( 2 ) 频率由几赫兹到数十兆赫兹的交流磁场。主要用于感应加热、电磁搅拌、电磁 加压、电磁传输等工艺过程。 ( 3 ) 特殊磁场。例如，移动磁场、脉冲磁场、变幅磁场等。主要用于高效、节能等 新技术工艺的开发。 ( 4 ) 由超导线圈产生的高强度的直流磁场。主要用于控制金属的流动和强磁场作用 下组织和晶体取向作用的研究。例如，作为电磁制动抑制连铸、特别是高速连 铸时结晶器内钢液的流动；控制材料在结晶凝固过程中晶体生长的形态、大小、 分布等等从而控制材料的组织，开发性能优异的新材料。本论文研究工作就是 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 利用这种磁场。 1 2 2 强磁技术发展与现状 强磁场技术主要包括脉冲强磁场、稳态强磁场及其相关技术。一般地说强磁 场的磁感应强度为1 0 t 数量级。自从1 9 世纪上半叶研制出电磁铁后，人们就致 力于研发更强的磁场发生装置。由于使用纯铁作为电磁体的铁芯，且无法得到产 生高强磁场所需的强电流，所以早期的磁场其强度至多能达到几个t e s l a 。2 0 世 纪初k a m e r l i n g ho n n e s 发现超导现象，但是早期的超导体的超导电性在较弱磁场 条件下就被破坏，因此不能应用。k w a t a n a b e 在回顾磁场发生技术的发展史时提 到j ，早在1 9 2 4 年，k a p i t z a 率先突破限制，利用脉冲强电流在l m m 的孔径中产 生5 0 t 的强磁场。1 9 2 7 年，k a p i t z a 使用脉冲半周期为1 0 m s 的脉冲强电流产生了 3 5 t 的强磁场，并利用其研制的脉冲磁体进行了很多前沿性的工作。后来脉冲磁 场法被进一步发展，得到的磁场强度也越来越高。为了产生相同磁场强度，用脉 冲强磁场技术要比直流磁体技术便宜得多，对于大多数物理过程而言，只需毫秒 级的脉冲半周期。因此脉冲强磁场得到了广泛的熏视。通常，场强低于1 0 0 t 的 脉冲磁体可重复放电使用，称为非破坏型脉冲磁体。目前日本的大阪大学已经开 发出1 0 0 t 级的非破坏型脉冲磁体 9 1 ：1 0 0 t 以上的磁场一般使用电磁压缩和爆炸 压缩磁通等方法产生，只能一次性放电使用，因此被称为破坏型脉冲磁体。目前 可在实验中使用的破坏型脉冲磁体产生的磁场强度已达1 0 0 0 t 8 1 0 1 1 】。 相对于脉冲磁场，直流磁场技术复杂，而且设备耗资巨大。1 9 3 9 年b i t t e r 在 美国m i t 成功地获得了强度为1 0 t 的直流稳态强磁场。其独创性的设计b m e r 盘至今还在3 3 t 以下直流磁体中使用。w o o d 和m o n t o g o m e r y 在1 9 6 6 年首先提出 了混合磁体的设计思想。最初的混合磁体由c l a r e n d o n 实验室制造完成，其外层 为超导磁体，内层为水冷磁体，如图1 1 所示。9 0 年代以前，2 0 t 以上直流稳态 磁场都是由混合磁体产生的，其体积庞大的水冷磁体需要耗费大量电能及冷却水。 随着低温超导磁体技术的发展，单纯采用超导磁体获得2 0 t 超导强磁场已成为一 项成熟的技术。但是对于采用液氦为制冷剂的超导磁体来说，其维护技术复杂且 运行成本居高不下，这阻碍了其在各个研究领域的广泛推广。随着冷冻机技术 g a 2 - t 4 的引入，冷冻机冷却的超导磁体克服了早期超导磁体所存在的费用昂贵、 稳定性不高，体积庞大、口径小等缺点，使得这种无液氦冷却超导磁体得以广泛 应用。日本东北大学的金属材料研究所在1 9 9 6 和1 9 9 7 年相继研制成1 1 t 和1 5 t 的无液氦冷却超导磁体 1 3 1 4 】。目前国内大连理工大学、东北大学所购进的强磁场 1 查些垄兰塑主主堡垒查茎二主查竺笙兰 设备都使用无液氦冷却超导磁体。上海大学所购进的是使用液氦为冷媒的超导磁 体。 圈1 1 由超导线圈和水冷线圈组成的混合磁体 f i g1 1h y b r i dm a g n e tc o n s i s t e do f s u p e r c o n d u c t i n g c o i l sa n dw a t e r - c o o l i n gc o i l s 1 2 3 强磁场技术的应用 一般地，强磁场的磁感应强度为1 0 t 数量级。与普通强度磁场作用于宏观的 物体不同，稳态强磁场( 以下简称强磁场) 能够将高强度的能量无接触地传递到物 质的原子尺度，改变原予的排列、匹配和迁移等行为，从而对材料的组织和性能 产生巨大而深刻的影响。强磁场在材料制备中主要有两大作用i “】：( 1 ) 强磁场控制 取向，( 2 ) 强磁场控制流体流动。这意味着利用强磁场有可能控制材料在结晶凝固 过程中晶体生长的形态、大小、分布和取向等等，从而控制材料的组织，最终获 得具有优良力学性能和物理性能的新材料。 1 2 3 1 强磁场在材料取向中的应用 材料组织定向排列能够有效地提高材料的各种性能。常用的方法是外加一个 定向的外力场，如超重力场、压力场、电场和磁场等。强磁场具有大能量、无接 触、稳定等特点，是理想的定向场。 强磁场在材料取向中的应用分为两种。其中一种是无相变过程中强磁场取向。 1 9 8 7 年，f a r r e l 等【1 6 】将具有各向异性的y i b a 2 c u 3 0 7 。高温超导颗粒在室温下与环 4 。 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 氧树脂混合，置于9 4 t 强磁场中固化，结果发现y i b a 2 c u 3 0 7 s 晶体中磁化率最大 的c 轴平行磁场方向取向。此后，多种具有顺磁磁各向异性的高温超导材料在室 温下分散于有机物( 如环氧树脂、庚烷【1 7 】、氯仿、异丙醇) 基体中，置于强 磁场中固化，都得到类似的结果。石墨和纤维素晶体具有明显的抗磁磁各向异性。 石墨粉末与环氧树脂混合，室温下置于5 t 强磁场中固化，x 衍射分析表明，石 墨晶体中磁化率绝对值最大的c 轴垂直磁场方向取向 2 0 】；将含有纤维素晶须的悬 浮液在7 t 强磁场中脱水，得到类似的结果1 2 1 】。 另种是有相变过程中强磁场取向。在材料的结晶凝固、固态相变等过程中 施加强磁场可获得有取向的组织。r b a c u o 系超导材料烧结过程中施加强磁场， 在材料内部形成大量有明显取向的颗粒，并且发现在磁场方向上有晶粒长大的现 象。y b a z c u 3 0 7 8 超导陶瓷在强磁场中凝固【2 2 、慢冷，可获得大体积织构化材料， 并且有晶粒长大现象。b i 4 m n 、a 1 - 1 1 s i 2 f e 合金在5 t 磁场中凝固，a i 3 5 c u 、 c d 6 0 z n 、a i - 1 0 n i 和b i ，c a 合金分别在0 5 t 1 , 5 t 的磁场中缓慢凝固，都获得了 有取向的组织。z n 、b i 都是具有明显磁各向异性的抗磁性金属。在z n b i 气相沉 积1 2 3 1 和z n 电析出过程中口q 施加5 t 强磁场，晶体中磁化率绝对值大的轴向垂直磁 场方向取向。 1 2 3 2 强磁场在控制流体流动中的应用 液体中的流动是与体系传热、传质和晶体生长有关的重要问题，利用强磁场 控制液体的流动，有可能控制材料中溶质分布、凝固组织形态、化学反应速率等， 具有重要的理论意义和应用价值。 强磁场在控制流体流动中的应用也分为两种。其中一种是强磁场抑制流体流 动。液体中通常存在温度梯度或浓度梯度，造成体系中不同区域的液体密度有差 异，在重力场作用下液体就会产生对流运动。当一个导电熔体中存在由于重力场 引起的对流运动，外加磁场感应产生l o r e n t z 力，这个力总趋向于使对流运动的 强度减小，l o r e n t z 力与外加磁场强度的平方成正比，所以磁场能够非常有效地抑 制导电熔体中由于重力场引起的对流运动。 另一种是强磁场引起液体流动。当合金定向凝固过程中界面为树枝晶生长时， 由于西贝克效应( s e e b e c ke f f e c t ) ，在固液界面上存在一个温差电流，导致佩尔蒂 埃效应( p e l t i e re f f e e t ) ，即使树枝晶端部温度下降，根部温度上升。理论表明西 贝克效应和佩尔蒂埃效应可以导致固液界面不稳定。由于温差电流的存在，外加 一个磁场将在糊状区域内引起流体流动，即热电磁流体力学效果。m o r e a u 等 2 5 在b i 一6 0 s n 合金定向凝固过程中施加o 5 5 t 轴向磁场，所得试样中枝晶组织粗化、 孔隙变大，表明糊状区域内存在明显的流体流动。这种微观区域内的流动只能用 5 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 热电磁流体理论解释。 1 2 4 强磁场技术面临的问题和发展的方向 目前，强磁场已经广泛地应用于材料科学的诸多领域中，发现了大量有重大 理论价值和应用价值的强磁现象，显示了强磁场在这个领域中广阔的应用前景。 但同时也应当看到，强磁场在材料科学中的应用研究处于起步阶段，很多物理现 象有待发现；已有的研究结果( 如强磁场对材料取向的作用和控制流体流动) 中， 许多深层次的物理、化学机制有待研究。另外，弱磁性材料的磁性能数据不完整， 尤其是金属间化合物的磁各向异性磁化率数据十分缺乏，极大地制约了强磁场的 应用研究。 强磁场在材料科学中应用研究的发展趋势如下【i s l ： ( 1 ) 进一步探索强磁场中材料制各的现象和规律，建立强磁场作用下材料制备的一 系列新理论和新技术。 ( 2 ) 不同类型的强磁场( 如均恒磁场与梯度磁场、高频磁场等) 相结合或强磁场与 一个或多个其它物理场( 如电场、应力场、微重力场等) 相结合，产生新的作 用和现象，形成相应的理论和应用技术。 ( 3 ) 强磁场发生设备向高强度化、大口径化发展。 ( 4 ) 对材料的磁化性能进行系统的测定，建立一个完整的有关晶体、化台物各种磁 性能的数据库。 1 3 金属材料磁场热处理 作为磁场处理的一个重要组成部分一磁场热处理的研究始于5 0 、6 0 年代前苏 联。所谓磁场热处理就是在材料的热处理过程的某阶段加入磁场，以达到影响其 组织及性能的目的。早期的研究大多限于对磁性材料实施磁场热处理，以期改善 其最终的磁。自g t 2 6 1 。后来磁场被应用于钢的热处理过程，在磁场对钢相变组织及 相变动力学方面影响的研究得到了一些有价值的结果。比较有代表性的是 s a d o v s k y 等人针对一些铁基材料( 具有较低马氏体转变温度，m s 点) 而进行的磁场 下马氏体转变温度、转变量、组织形貌等方面的研究【2 7 。3 2 l 。发现磁场可促进马氏 体转变，使转变温度升高。由于磁场设备限制，早期研究过程中多使用普通强度 级别的直流稳恒磁场、脉冲磁场及高强度的脉冲磁场。随着强磁场设备的发展， 2 0 世纪9 0 年代以后应用稳恒强磁场的研究逐渐增多。 6 一 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 1 3 1 磁场对冷却转变的影响 1 3 1 1 磁场作用下马氏体的转变 许多研究表明磁场会使铁基合金马氏体转变( f e c b c c ) 的起始温度( m d 升高 【2 7 。32 1 。图1 2 给出母相( g p ) 和马氏体相( g ”) g i b b s 自由能随温度变化的示意图 3 3 。 图中和a 磊分别代表两相平衡温度和马氏体转变开始温度。由于铁基合金中铁 磁性的体心立方结构( b c c ) 相的磁化强度比顺磁性的面心立方( f c c ) 母相的磁化强度 高很多。所以，外磁场对非铁磁性母相的自由能影响不大，而使具有较大磁化强 度的马氏体相的自由能降低，这样两相平衡温度必然升高至7 ，而a 磊温度 随之上升至必7 。 捌1 2g i b b s 自由能随温度变化的示意图 f i g1 2s c h e m a t i co f g i b b sf r e ee n e r g ya s af u n c t i o no f t e m p e r a t u r e k a k e s h i t a 等人还研究了脉冲磁场对马氏体转变量的影响【3 4 】，结果表明所施加 的场强越大马氏体量转变越多，k s h i m i s u 等人的研究结果表明马氏体转变量明 显地依赖于达到临界场强后场强的进一步增加【3 5 】，在i 每界场强以上，随磁场强度 增高，马氏体的转变量线性增加。这种马氏体转变量的增加是已形成的马氏体片 的长大和新形成马氏体的共问结果。 国内的梁龙飞等人研究了外加磁场对于非完全奥氏体化条件下奥氏体向马氏 体转变的影响【3 6 】并认为：( 1 ) 外加磁场对于临界区非完全奥氏体化条件下的马氏体 转变具有明显的促进作用：( 2 ) 与无磁场时所处理的双相钢相比，在冷却过程中施 加磁场所得到的双相钢，其马氏体体积分数明显增加；( 3 ) 在冷却过程中外加磁场 所处理的双相钢，其中的马氏体相尺寸并未因马氏体体积分数的增加而变大，而 是马氏体相的分布更分散。 7 0h呼昌蝴董 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 3 1 2 磁场作用下贝氏体的转变 g r i s h i n 针对三种不同结构钢研究磁场对其过冷奥氏体在贝氏体相变温度区 等温转变的影响【3 7 】。并根据硬度检验得到了转变程度与等温时间的关系。结果显 示，磁场促进了贝氏体转变及碳化物弥散析出。 f o k i n a 等人对几种结构钢磁场作用下的珠光体和贝氏体分解转变进行了研究 9 ”，认为磁场有助于相变孕育期的缩短，有利于提高珠光体和贝氏体分解转变的 完全程度。 任福东等人在对9 s i c r 钢进行磁场等温淬火的研究中发现磁场可降低过冷奥 氏体的稳定性，缩短贝氏体转变的孕育期，磁场还可加速贝氏体的转变，使转变 后贝氏体数量增加，残余奥氏体数量明显减少。图1 3 为9 s i c r 钢3 0 0 。c 等温处 理的显微组织【3 9 1 。图1 4 为9 s i c r 钢经2 4 0 。c 等温处理6 0 m i n 后的洛氏硬度检验 结果。 图1 39 s i c r 钢经3 0 0 。c x 4 5 m i n 等温后的贝氏体组织，无磁场( a ) ，脉冲磁场( b ) f i 9 1 3 m i c r o s t m c t u r e so f s t e e l9 s i c r i s o t h e r m a l t r e a t e da t3 0 0 9 c f o r 4 5 m i n w i t h m a g n e t i c f i e l d ( a ) ，w i t h o u tm a g n e t i cf i e l d ( b ) 苗6 0 2 6 0 3 等温温度，c 图1 49 s i c r 钢等温6 0 m i n 后硬度与等温温度关系1 - 无磁场，2 脉冲磁场 f i g1 4 h a r d n e s s o f s t e e l9 s i c rh o l d f o r 6 0 r a i na sa f u n c t i o n o f i s o t h e r m a l t e m p e r a t u r e _ 8 东北大学硕士学位论文第一辛文献综述 他们认为磁场促进贝氏体转变的可能原因在于：( 1 ) 材料吸收磁能使相变驱 动力增加；( 2 ) 磁场贝氏体转变开始点最的提高导致磁场下相变驱动力的增大： ( 3 ) 磁场降低了碳原子的固溶度，致使相变激活能降低；( 4 ) 在脉冲磁场的作用下， 由于磁致伸缩效应使铁原子的原子间距发生周期性变化，有利于内部原子的扩散， 使扩散激活能降低，增大扩散系数；( 5 ) 磁场作用下铁磁相能量发生改变使其形核 功小于正常状态下的形核功，导致形核率增大。 1 3 1 3 磁场作用下珠光体的转变 o h t s u k a 等人研究了稳恒强磁场o o t ) 作用下f e 0 4 c ( w t ) 钢和 f e 1 5 m n - o 1 c 0 0 5 n b ( w t ) 钢的铁素体转变以及f e 1 3 m n 1 o c ( w t ) 钢和 f e 0 8 c ( 州) 钢的珠光体转变【4 ”，发现磁场通过以下三个因素加速铁索体转变： ( 1 ) 增加铁素体的形核率；( 2 ) 在较高的转变温度促进铁素体的长大：( 3 ) 细化奥氏 体晶粒尺寸。他们还通过实验和计算证实了在1 0 t 的稳恒强磁场条件下纯铁的 a r 3 温度升高了7 k 。此外，他们发现珠光体的转变温度由于磁场的引入而升高， 磁场还使得珠光体的片层间距加大，并使珠光体团直径减小。磁场对珠光体的片 层的方向也表现出一定的影响。对f e 1 3 m n 1 o c ( w t ) 钢的研究表明磁场加速了 珠光体的晶内和晶界形核率，但磁场对珠光体的长大速度影响不大。另外，国内 的冯光宏和杨钢等人研究了低强度稳恒磁场对低碳微合金钢的铁素体转变行为的 影响，得出磁场促进铁素体转变的结论。 1 3 2 磁场对回火转变的影响 f o k i n a 等人在研究磁场对几种结构钢的珠光体和贝氏体分解转变的影响的同 时，发现在特g 温度( 5 3 0 0 c ) 进行磁场回火有增加结构钢的高温回火脆的倾向口8 1 。 许伯钧等人利用自制的低、中强度脉冲磁场( 2 5 1 0 0 k a m ) 热处理设备对高速 钢的回火进行了系统的研究【4 “，发现高速钢在脉冲磁场中回火可显著加速二次硬 化过程，促进残余奥氏体分解转变，从而大大缩小了回火转变的周期。同时磁场 回火还可使高速钢的抗拉强度和冲击韧性大幅度的提高，红硬性得到明显的改善， 内应力降低，因此使其工作寿命明显延长。 1 3 3 磁场对再结晶的影响 过去的几十年来，人们对磁场作用下金属材料再结晶及再结晶织构演变的研 9 东北大学硕士学位论文第一辛文献综述 究并不多见。有限的工作也都局限于研究磁场条件下铁磁合金( f e c o 合金) 和软 磁合金( f e 一3 s i 合金、a m o c o 纯铁) 等材料的再结晶行为及织构的变化。 能否利用磁场退火调控材料织构从而改善其的机械性能，对此b h a n d a r y 和 c u l l 畸已经做了有益的探索。而且m u l l i n s 等人的实验观察到了晶界在磁场作用 下向预计方向迁移的结果也从某种角度证实了这种可能性。 1 9 8 1 年，m a r t i k a i n e n 等【4 2 l 利用如图1 5 所示的装景进行了磁场退火实验研究 外磁场对冷变形材料再结晶行为的影响。 他们选用冷轧变形量为4 6 年n6 1 a r m c o 纯铁作为实验材料，退火温度为 7 0 0 。c 和7 2 5 0 c ，磁场强度最高为1 5 t 。研究发现：( 1 ) 磁场退火与非磁场退火样 品的再结晶织构发生了变化，与非磁场样品相比，磁场退火样品的f 1 0 0 织构组分 增多， 1 1 1 织构组分减少。分析表明磁自由能的各向异性引发g i b b s 自由能的各 向异性是造成织构差异的主要原因。( 2 ) 磁场退火条件下形核机制以择优形核为 主，即平行于磁场方向的 取向晶粒具有最大的形核驱动力，这是因为 方向为易磁化方