强磁场对硅锰铸钢等温珠光体粒化的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)昆明理工大学材料科学与工程学院 作者:刘雯

  对硅锰铸钢在相变温度(A1)附近进行等温处理的研究表明,经磁场处理后的试样组织中存在更多的粒状珠光体组织。此粒状珠光体由两部分构成:一部分来自块状铁素体中直接析出粒状的不连续渗碳体;一部分来自等温过程中片状渗碳体的熔断。磁场通过促进铁素体的形核与长大,使较多的碳原子"陷落"在铁素体内以沉淀析出方式形成粒状渗碳体,处理温度越低,此作用越明显。此外,磁场下珠光体组成相磁致伸缩率存在差异,引起珠光体两组成相之间的应变能变化,有利于渗碳体以球状析出于奥氏体或铁素体中,也对粒状珠光体分数的增加作出贡献。

  利用超导稳恒强磁场开展的研究已拓展到凝聚态物理学、应用化学、材料科学、生物医学、真空等领域,并已得到大量研究成果,其重要性已经在各种程度上被认可[1]。目前,稳恒强磁场作用下的固态相变受到了广泛的关注,已成为材料科学中重要的研究领域之一。

  王亚男等[2]利用磁场对低碳钢铁素体转变进行了研究,结果表明,在低碳钢发生奥氏体向铁素体转变时,稳恒磁场可以明显提高铁素体的体积分数,并能促进铁索体形核,使铁素体晶粒细化和均匀化;Ohtsuka 等[3]研究了磁场对珠光体转变的影响,磁场加速了珠光体( P) 的晶内与晶界形核速率,珠光体的转变温度由于磁场的引入而升高; 周晓玲等[4] 研究了相变温度A1点以上磁诱发珠光体相变研究,磁场可在A1点以上的温度诱发P ,随着磁场作用时间的延长,所诱发的P 量的增加主要是P 团长大所致,存在一定数量具铁磁性的共析相、磁场作用时间及其强度的大小是决定在A1以上温度诱发P 量的关键因素。强磁场作为材料热处理的新手段,通过对相变过程中材料的微观组织[5-7]、性能[8-9]的影响,实现新材料制备与改性。利用新旧两相间磁性能的差异,强磁场能够有效地影响铁基材料中马氏体、贝氏体、珠光体、铁素体的转变起始温度,加速其转变行为,从而影响材料的最终使用性能。

  钢铁材料由于资源丰富、可大规模生产加工、价格低廉,同时具有优良的使用性能和便于回收等特点,因此在实际应用中一直占据着主导地位。由于耐磨硅锰铸钢强度和硬度较高,机加工困难,而与片状珠光体相比,粒状珠光体的强度和硬度较低,可加工性能以及淬火工艺性能比片状珠光体好[10]。本文对硅锰铸钢在12 T 磁场作用下,进行等温处理的组织开展研究,以分析磁场对珠光体组织粒化的影响。

实验材料及方法

  试样材料选用先期研制的硅锰铸钢50Si2Mn3,其成分( 质量分数,% ) 为0. 5 C,2. 18 Si,2. 71 Mn,0. 06 S,Fe 余量,在150 kg 中频感应炉中熔炼,熔清后于1450 ℃进行浇注,经均匀化退火后加工成尺寸为10 mm × 28 mm 的试样,并在其一端钻有一个尺寸为1. 5 mm × 10 mm 的测温中心孔。试样分为两组,一组无磁,一组有磁。两组实验采用了完全相同的奥氏体化温度与时间即830 ℃ ×30 min,等温温度分别为680、700 ℃,等温时间为5 h。其中有磁实验采用了上海大学金属材料研究所的超导强磁体设备,其有效工作空间是98 mm × 400mm,中心磁感应强度在0 ~ 14 T 间连续可调。磁场热处理时所施加的磁场强度为12 T,磁场分布比较均匀,磁场精度为0. 0001 T,其方向与样品长度方向一致。在实验中,同时使用了两个相同的自制热处理炉,一个用于奥氏体化,而另一个用于等温处理,并采用ZNBC-60 型智能编程控温仪控温,其控温精度在± 1 ℃。试样在磁体及等温炉中放置的空间位置非常关键,要保证其同时处于稳恒磁场的作用区间和等温炉内的有效加热温度区间。

  所有试样经常规机械抛光、4% 硝酸酒精腐蚀,采用莱兹大型卧式精密金相显微镜、Philips XL30ESEMTMP扫描电镜对试样的组织进行分析。在HR-150A台式洛氏硬度仪上使用150 kg 力进行硬度测定,取其平均值。

  1) 对12 T 强磁场作用下等温珠光体转变的研究发现,磁场能够促进更多的粒状珠光体组织的形成。此粒状珠光体由两部分构成,一部分来自块状铁素体中直接析出粒状的不连续渗碳体; 另一部分来自长时间等温过种中渗碳体片的逐渐溶断;

  2) 磁场对珠光体粒化的贡献在于,磁场通过提供磁驱动力项促进了铁素体的形成,使较多的过饱和碳原子“陷落”于其中并以沉淀析出的方式形成了粒状渗碳体,等温温度越低,粒化效果越明显。与此同时,磁场通过增加渗碳体/铁素体界面能和磁致伸缩应变能促使渗碳体以球状在铁素体或奥氏体中析出。

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