強(qiáng)磁場下高純Fe-C合金先共析鐵素體顯微組織形貌的形成與演變機(jī)理.pdf

1、強(qiáng)磁場作為一種極端實驗條件已經(jīng)被廣泛用于材料熱處理的研究，其中強(qiáng)磁場對Fe-C合金擴(kuò)散型固態(tài)相變的影響機(jī)理的研究是前沿?zé)狳c問題之一，具有廣闊的創(chuàng)新空間。
　　 因此，本文選用高純亞共析Fe-C合金為實驗材料，排除了合金元素或雜質(zhì)元素的影響，利用12T超導(dǎo)穩(wěn)恒強(qiáng)磁場熱處理裝置進(jìn)行不同工藝條件的非磁場和強(qiáng)磁場熱處理對比實驗，并借助于金相分析及SEM-EBSD分析等研究手段對先共析鐵素體的顯微組織形貌及晶體學(xué)取向特征進(jìn)行分析，系統(tǒng)地研

2、究了強(qiáng)磁場下高純Fe-C合金先共析鐵素體顯微組織形貌的形成和演變機(jī)理。這對于進(jìn)一步豐富強(qiáng)磁場材料學(xué)理論和利用強(qiáng)磁場熱處理方法控制鋼鐵材料組織和性能具有重要的意義。
　　 強(qiáng)磁場下不同工藝條件熱處理后的實驗結(jié)果一致表明：強(qiáng)磁場能夠顯著抑制高純Fe-0.36％C合金和Fe-0.52％C合金先共析鐵素體轉(zhuǎn)變過程中的針片狀的先共析魏氏組織鐵素體顯微組織形貌的形成，同時促使先共析鐵素體晶粒形成沿磁場方向伸長且呈鏈狀排列的顯微組織形貌。前者

3、是由于強(qiáng)磁場通過增大奧氏體與先共析鐵素體之間的磁自由能差顯著增加了先共析鐵素體轉(zhuǎn)變的驅(qū)動力，從而改變了先共析鐵素體轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)條件所致。后者主要是由于強(qiáng)磁場所造成的磁偶極子相互作用和退磁場（退磁場能）的作用共同所致。此外，盡管強(qiáng)磁場下先共析鐵素體晶粒形成沿磁場方向伸長且呈鏈狀排列的顯微組織形貌，具有明顯的微觀組織擇優(yōu)取向，但SEM-EBSD晶體學(xué)取向分析結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)先共析鐵素體晶粒具有明顯的晶體學(xué)擇優(yōu)取向，從而在-定程度上排除了與晶體學(xué)

4、取向密切相關(guān)的磁晶各向異性和磁致伸縮對先共析鐵素體晶粒顯微組織形貌的形成和演變的影響作用。
　　 強(qiáng)磁場熱處理時，提高磁場強(qiáng)度、適當(dāng)降低奧氏體化溫度、縮短退火保溫時間和減小退火冷卻速度均能夠抑制甚至消除高純亞共析Fe-C合金中的針片狀的魏氏組織鐵素體顯微組織的形成。據(jù)此提出了一種消除亞共析鋼中粗大魏氏組織的強(qiáng)磁場真空退火工藝方法，以此為基礎(chǔ)申請的發(fā)明專利已經(jīng)公開。
　　 強(qiáng)磁場條件下，隨著高純Fe-C合金的含碳量增加，先

5、共析鐵素體晶粒沿強(qiáng)磁場方向伸長且呈鏈狀排列的程度不斷減弱。這是由于含碳量增加導(dǎo)致先共析鐵素體轉(zhuǎn)變量減少，從而引起先共析鐵素體晶粒之間的磁偶極子相互作用減弱，同時含碳量增加也導(dǎo)致先共析鐵素體轉(zhuǎn)變溫度范圍降低，從而引起Fe原子和C原子的擴(kuò)散更加困難抑制了先共析鐵素體晶粒沿磁場方向伸長長大所致。并由此提出一種在含碳量較低的Fe-C合金的先共析鐵素體轉(zhuǎn)變初期或含碳量接近共析成分的Fe-C合金中，先共析鐵素體晶粒（晶核）之間距離較遠(yuǎn)的情況下適用的

6、磁偶極子模型。
　　 強(qiáng)磁場熱處理時，不同的樣品擺放方式對高純Fe-0.36％C合金和Fe-0.52％C合金先共析鐵素體轉(zhuǎn)變后的顯微組織形貌的影響十分顯著。由于板狀樣品的面法線方向與磁場方向垂直時作用于整個樣品上的退磁場強(qiáng)度更低，從而引起作用于整個樣品中的有效磁場強(qiáng)度更高，最終導(dǎo)致樣品顯微組織中針片狀的先共析魏氏組織鐵素體含量更少，同時先共析鐵素體晶粒沿磁場方向伸長且呈鏈狀排列的程度更高，總的先共析鐵素體面積百分含量增加得更多。

7、這也進(jìn)一步驗證了由強(qiáng)磁場所引起的退磁場對先共析鐵素體顯微組織形貌的形成和演變的影響作用。
　　 在強(qiáng)磁場下對Fe-0.12％C合金進(jìn)行順磁居里溫度以上的等溫轉(zhuǎn)變實驗，結(jié)果表明：即使在順磁居里溫度以上進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變，先共析鐵素體晶粒也呈現(xiàn)沿磁場方向伸長且呈鏈狀排列的趨勢。同時利用強(qiáng)磁場下先共析鐵素體晶粒之間的磁偶極子相互作用模型對該現(xiàn)象進(jìn)行了理論解析，進(jìn)一步弄清了強(qiáng)磁場下先共析鐵素體晶粒沿磁場方向伸長且呈鏈狀排列顯微組織形貌的形成機(jī)

8、理。
　　 利用純鐵和高純Fe-0.76％C合金組成的擴(kuò)散偶研究了12T強(qiáng)磁場對與磁場施加方向相同、相反及垂直方向上的碳在γ-Fe中的擴(kuò)散行為的影響。結(jié)果表明：強(qiáng)磁場顯著抑制γ-Fe中與磁場方向垂直方向上的碳的擴(kuò)散，而對與磁場方向相同和相反方向上的碳的擴(kuò)散稍有促進(jìn)作用。同時從強(qiáng)磁場對不同含碳量的γ-Fe的磁自由能的降低程度不同以及強(qiáng)磁場對γ-Fe中的鐵原子之間的磁偶極子相互作用導(dǎo)致碳的擴(kuò)散呈現(xiàn)各向異性兩個角度闡明了強(qiáng)磁場對碳在γ