磁场处理对微合金钢相变过程的影响

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2001.03.045 第23卷第3期 北京科技大学学报 Vol.23 No.3 2001年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2001 磁场处理对微合金钢相变过程的影响 冯光宏12)谢建新) 1北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)钢铁研究总院工艺所，北京100081 摘要磁场处理对微合金钢由奥氏体向铁素体的转变过程产生影响，主要体现在铁素体的形 核率和晶粒长大速度两个方面.磁场处理增加了铁素体的形核率，同时也提高了晶粒的长大速 度.由于磁场对铁素体形核率的影响效果显著，缩短了相变时间，最终得到细晶组织 关键词相变；微合金钢；磁场 分类号TG111.5 磁场能显著影响铁基合金的相变过程) 降变缓)，标注相变过程的各个节点，测量相变 若在徽合金钢由奥氏体向铁素体转变的过程中 时间. 施加强磁场，则随着磁通量密度的增大，奥氏体 为了观察磁场对铁素体晶粒数量的影响， 向铁素体转变的起始温度提高，形核率增加，最 实验时，同时从加热炉中取出每组两个试样，一 终使得铁素体晶粒明显细化.本文主要研究 个空冷，另一个放人静磁场设备中冷却，冷却到 了磁场处理对微合金钢相变过程的影响， 适当的时候同时淬火，通过金相观察对比分析 试样中的铁素体质量分数. 1实验方法 2实验结果及讨论 11材料和实验设备 实验材料选用铌钛处理的含锰钢，其化学 磁场对铁素体质量分数的影响如图1所示. 含量（质量分数%）为：C0.09,Si0.18,Mn一 由图可知当相变时间相同时，附加磁场时的铁 1.37,P-0.011,S0.007,Nb0.051,Ti-0.017,A1s 素体质量分数比无磁场时的大，且附加磁场强 0.001. 度越高，这一倾向越明显 实验所用稳恒磁场发生设备的线圈由水冷 0 铜管缠绕而成.共轭磁极的间距可调，当间距为 ■0.8T 12mm时，可获得最大磁通量密度1.7T. 41.5T 将控制轧制和控制冷却后的钢板加工成 0 80mm×20mm×8mm试样，试样长度方向侧面中 心钻6mm×11mm的孔用于测温. 20 所用加热炉为20kW箱式炉，样品加热温 0 度为1150℃，保温1h 26 34 4250586674 1.2实验过程 特知s 从加热炉取出样品后，放入稳定磁场设备 图1冷却时间与铁素体质量分数的关系 中，并迅速将热电偶插入样品上的小孔中，针对 Fig.1 Relationship between cooling time and the mass fraction of ferrite 不同的试样，改变磁通量密度，连接时间-温度 记录仪，记录降温过程.利用相变潜热使降温曲 在相变过程中对微合金钢施加磁场，将影 线出现波动现象（相变时放热引起冷却速度下 响原子自由能的变化，参与相变的单个原子从 初始的亚稳态进人能量更低状态时的自由能变 收稿日期2000-12-19冯光宏男，33岁，高级工程师 化如图2所示. ★国家"973"规划资助项目No.科99060110A) 若G,和G2是始态和终态的吉布氏自由能

第 23 卷 第 3 期 20 1 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Jo u rn a l of U n i v e o ity o f S c ie n c e a n d Te e h n o fo gy B e ij i o g Vb l . 2 3 N o 一 3 J u n e 20 0 1 磁场处理对微合金钢相变过程的影响 冯 光宏 ’ ,2) 谢建新 ` ’ 1月匕京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 1X() 0 8 3 2 )钢铁研究总院工艺所 , 北京 1 0 08 摘 要 磁场处理对微合金 钢由奥氏体 向铁素体的转变过程产生 影 响 , 主要 体现在铁素体的形 核率和晶粒长大速度两个方面 . 磁场处 理增加 了铁素体的形核率 , 同时 也提高 了晶粒的长 大速 度 . 由于磁场对铁素体形核率的影 响效果显著 , 缩 短 了相变时间 , 最终得到 细晶组织 . 关 健词 相变 ; 微合金钢 ; 磁场 分 类 号 T G 111 . 5 磁场能显 著影响铁基 合金 的相 变过程 【同.] 若在微合金钢 由奥氏体向铁素体转变的过程 中 施加强磁场 , 则 随着磁通量 密度的增大 , 奥 氏体 向铁 素体转变 的起始 温度提高 , 形核率增加 , 最 终 使得铁素体 晶粒 明显 细化 阴 . 本文主要研究 了磁场处理对微合金 钢相变过程 的影 响一 降变缓 ) , 标注相 变过程 的各 个节点 , 测量相变 时 间 . 为 了观察 磁场对 铁素体 晶粒 数量 的影响 , 实验时 , 同时从加热炉 中取 出每组 两个试样 , 一 个空冷 , 另一个放人静磁场设备中冷却 , 冷却到 适 当的 时候 同时淬火 , 通过金 相观察对 比分析 试样 中的铁 素体质量分 数 , 1 实验方法 L l 材料和实验设备 实 验材料选用钥钦处 理的含锰钢 , 其化学 含量 (质量分 数% ) 为 : C 一刃 . 09 , 5 1一刁 , 18 , M -n ` 1 . 3 7 , P一刃 . 0 1 1 , S一刃 . 0 0 7 , N 卜一刃 . 0 5 1 , Ti一刃 . 0 17 , A ls 一刁 . 0 0 1 , 实验所用稳 恒磁场发生设备 的线圈 由水冷 铜管缠绕而成 . 共扼磁极的间距可调 , 当间距为 1 2 r n l n 时 , 可获得最 大磁通量密度 1 . 7 .T 将 控 制 轧制 和 控 制冷 却 后 的钢 板加 工 成 8 0 ~ x 2 0 ~ 、 S lmn 试样 , 试样长度方 向侧面 中 心钻杯 ~ xl l ~ 的孔用 于测温 . 所用 加热炉 为 20 k w 箱式炉 , 样 品加 热温 度为 1 1 50 ℃ , 保温 l .h 1.2 实验过程 从 加热 炉取 出样 品后 , 放 人稳定磁场设备 中 , 并迅速将热 电偶插 人样 品上 的小孔 中 , 针对 不 同的试样 , 改变磁 通量密度 , 连接时 间一温度 记录仪 , 记录降温过程 . 利用相变潜热使降温曲 线 出现 波动现 象 ( 相变时放热 引起冷却速度下 2 实验结果及讨论 磁场对铁素体质量分数的影响如图 1所示 . 由图可知 当相 变时间相 同时 , 附加磁场 时 的铁 素体质量分数 比无磁场时 的大 , 且 附加 磁场强 度越高 , 这一倾向越 明显 . 一 0 一 0 . S T ` 1 , S T 0 茂乙 芝 挂盆, 收稿 日期 2 0 ) 12一 19 冯 光宏 男 , 3 岁 , 高级工程 师 * 国家 ” 9 7 3 , ,规划资助项 目州0 . 科 9 9 0 6 o l l o )A O 匕-. 卜J 一月阵吐二二一二一一一上 2 6 34 4 2 5 0 5 8 66 7 4 场却抽 圈 1 冷却时间与铁素体质 t 分数 的关系 、 F褚 · 1 eR la t io n s h i P b e俪e n co o l in g it m e a n d ht e m a s s 介 . d i o n Of fe r ir t e 在 相变过程 中对微合金 钢施加磁场 , 将影 响原子 自由能 的变化 , 参 与相 变的单个原子从 初始 的亚稳态进人 能量更低状 态时的 自由能变 化 如图 2 所示 . 若 G l和 几是始 态和终 态 的吉布 氏 自由能 , DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 03. 045

Vol.23 No.3 冯光宏等：磁场处理对微合金钢相变过程的影响 ·263· (a) G G 图3冷却58s后谇火试样的金相组织.@)磁场处理 初始状态激活状态 最终状态 (15T):(b)无磁场处理 图2相变过程中赋场对铁原子自由能的影响 Flg.3 Optical microstructure of quenched specimens after Fig.2 Effect of magnetic field on free energe of iron atom cooling for 58s during transformation 则相变的驱动力为△G=G一G.但是原子的吉 布氏自由能从G降到G之前，该原子必须经过 自由能比G高△G的所谓跃迁状态或激活状 态.图2所示的是大量原子的平均能量，由于原 子无规则热运动的缘故，任何单个原子的能量 图4冷却66s后谇火试样的金相组织.(a藏场处理 均随时间变化而变化，在接近临界状态，有时原 (1.5T):()无磁场处理 子的能量变化足以使原子到达激活状态网根 Fig.4 Optical microstructure of quenched specimens 据热力学原理，一个原子达到激活态的几率为 after cooling for 66s exp(-△GkT).式中k是波尔兹曼常数，△G称为 为界面能. 激活自由能垒， 由于附加磁场能的作用，可使临界形核功 在磁场中，铁原子的自旋磁距与外磁场之 降低，降低幅度依磁场能的强弱而异，这样就明 间相互作用，外磁场对奥氏体相中铁原子3d壳 显提高了铁素体的形核率.由图1可以知道，外 层电子自旋磁距产生影响，使原子处于激发态 加磁场使相变开始时间提前.但是铁素体质量 (非平衡态)，原子的始态吉布氏自由能由G,提 分数是铁素体的形核率和长大速度共同作用的 高到G'这种影响相对地降低了晶化形核势垒 结果，这说明微合金钢由奥氏体转变成铁素体 并提高了跃迁几率.体系的自由能势垒△C将 后的晶粒大小不仅受形核率的影响，还受晶粒 降低为△C-(G'-G),从而导致形核率增加.其 长大速度的影响.铁素体晶界的移动速度可以 结果是在相同的相变时间内，外加磁场使铁素 表示为： v瓷影e网-4 「△G-(G-G1△G 体质量分数增加 RT 了 (4) 相变进行58,66s时，附加磁场和无磁场处 式中，A,为铁素体晶粒接纳原子的几率，”。为铁 理时的显微组织形貌如图3、图4所示.由图可 素体晶粒体积，：为奥氏体晶粒中参与扩散的 知，相变时间相同，外加磁场使试样中铁素体的 数量，为扩散速度. 形核数量增多. 磁化产生的磁场能可以近似地表达成： 从热力学的角度分析，磁性对吉布斯自由 G'-G-x(DH (5) 能的贡献是以附加项体现的，nden首先提出了 式中，(T)是奥氏体态的磁化率. 磁性对自由焓贡献的表达式，后经Hillert和Jarl 上述分析的结果表明，在磁场的作用下，铁 修改，其对吉布氏自由能的贡献表述为： 素体晶粒长大的速度不仅随温度成指数增加， G=RTIn(B+1)f() (1) 而且随磁通量密度的上升而提高.对比在磁场 式中，B是与总磁熵有关的量，t=TT 作用下铁素体的形核率和长大速度的计算公 在磁场中，铁素体的形核率可以表示为： 式，可知磁场能对铁素体形核率的影响比对晶 1=Kc-ep(-景) (2) 粒长大速度大得多. △0-号Rac+&-@可 (3) 相变时间随磁通量变化的关系如图5所示. 式中，G'-G为磁场能，△G为形成新相时的摩尔 由图可知，相变时间随磁通量密度的提高而缩 吉布氏自由能变化值，V,为a-Fe的摩尔体积，o 短.在实验的范围内，降低的幅度在较高磁通量 密度时略有减少，整体上呈线形关系

·264· 北京科技大学学报 2001年第3期 80 参考文献 60 ● 1 Shimisu K,Kakeshita T.Effect of Magnetic Fields on Mar- 40 tensitic Transformations in Ferrous Alloys and Steels. ISIS International,1989,29(2):97 20 2 Kakeshita T.Magnetic Field-induced Martensitic Trans- formations in a Few Ferrous Alloys.Journal of Magnet- ism and Magnetic Materials,1990,12:34 -0.2 0.3 0.8 1.3 1.8 3 B/T Kakeshita T.Effect of Magnetic Field on Successive y- e'a'Martensitic Transformation in an Fe-Mn-C Alloy. 图5磁通量密度对相变时间的形响 Materials Transactions,JIM,1992,33(5):461 Fig.5 Effect of magnetic flux density on time of trans- 4 Feng Guanghong,Zhou Shaoxiong,Yang Gang,et al.Ef- formation fect of Stable Magnetic Field on Grain Refinement of Low Carbon Mn-Nb Steel.Journal of Iron and Steel Research. 3结论 2000,12(4):27 (1)在微合金钢由奥氏体向铁素体转变过程 5 Yang Gang,Feng Guanghong.Effect of Stable Magnetic Field on Transformation of ya for Low Carbon Mn-Nb 中施加强磁场，可提高铁原子的始态自由能，相 Steel.Journal of Iron and Steel Research,2000,12(5):31 对降低铁素体的形核势垒，提高铁素体的形核 6 Gasakell DR.Introduction to Metallurgical Thermody-na- 数量，使相变在更高的温度区间内进行，促进相 mics.London:McGraw-Hill,1973 变过程的进行， 7李静波.MOCVD法影响Ⅲ-W族半导体生长的热力 (②)由于磁场的作用，铁素体晶粒的长大速 学分析：[学位论文].北京：北京科技大学，1998 度提高，但是其作用效果比磁场对形核率的影 8 Li J,Yang C,Dong H.Computer Simulations of Phase Transformation in Steels.Materials and Design,2001,22: 响小.磁场处理对铁素体的形核率和长大速度 39 的综合作用，使相变时间缩短，相变后得到细小 的铁素体晶粒. Effect of Magnetic Field Treatment on the Transformation of Microalloyed Steel FENG Guanghong2,XIE Jianxin 1)Material Science and Engineering School,UST Beijing 100083,China 2)Institute of Metallurgical Processing,CISRI,Beijing 100081,China ABSTRACT Magnetic field treatment can affect transformation process from austenite to ferrite of microal- loyed steel,especially,in the nucleation ratio and growing rate of ferrite.Magnetic field treatment can increase nucleation ratio of ferrite,meanwhile,the growing rate is enhanced.The transformation period is decreased due to the function of magnetic field,and the refine grains present finally. KEY WORDS transformation;microalloeyd steel;magnetic field

。 26 4 。 北 京 科 技 大 学 学 报 「一一80一一一 一一一 — — - 一 1 也 旁 女 针 1年2 0 第 3期 n ùù n ù 64 的、逻 1 0 一一 一 0 . 2 0 , 3 0 . 8 1 . 3 刀厅 圈 5 磁通t 密度对相变时间的影晌 F啥 . S E 场eC t of m . 沙e it c n u x d e . 幼勿。 n it 山 e of 如 n -s fo r 刃比. U O n 3 结论 (l )在微合金 钢 由奥氏体向铁素体转 变过程 中施加强磁场 , 可提高铁原子的始态 自由能 , 相 对 降低铁 素体 的形 核势 垒 , 提高铁素体 的形核 数量 , 使相变在更 高的温度 区间内进行 , 促进相 变过程 的进 行 . (2 ) 由于磁场的作用 , 铁素体晶粒 的长大速 度提高 , 但是其作用效果 比磁场 对形核率 的影 响小 . 磁场处理对铁素体的形核 率和长大速度 的综合作用 , 使相变 时间缩短 , 相变后得 到细小 的铁素体 晶粒 . 1 Sh jm isu K, K ak e sh i at .T E价 ct of M a gn e ti c iF le ds 沈 M -ar t e n s i t l e tT出坦伪而iat osn in F e r o u s iA loy s an d Set le .s 15 15 I n te m at ion ia , 1989 , 2 9( 2 ) : 97 2 K ia 叨 hs iat .T M a gn e t1 c iF el d- in d u e e d M ar et ns it c rT an s - 伪仙iat ons in a F ew F . r o u s A l l o y s . J o 切m a l of M贬户e t . i sm an d M a gn e ti e M at e ir ia s , 199 0 , 12 : 3 4 3 K ak e s ih at .T E日免e t o f M a gn e t i c Fi e ld on s u c c e s s ive 丫一 扩一 ’a M ar et n s i ict rT an s fo n 刀 at 1 O n in an 凡 一 N臼 . C A n .oy M al 比ir ia s rT 助“ ` t i o ns , Jn 以 , 19 92 , 33 ( 5) : 46 1 4 F e n g G u an hg o n g s Z h o u s h a o 劝叻g , 丫垃g G an g , et al . E -f 丘沁t o f s abt l e M a gn e t l c Fi e ld on G ar in 助五n e m ent o f L o w C 州bo n N n[ 侧卜币 Set e l . J o 山 , 日 1 o f l r o n an d Sot e l Re s e a r c h . 2 0() 认12(4 ) : 2 7 5 丫幼g G an g , F e n g G anU gh o n g . E fe Ct o f S abt le M a gn e t 1 c iF el d on rT an s fo n n at i o n o f 丫+- a for L ow C 山七o n N山书br S姗1 . J o 切m 司 o f il o n an d S et l R e s e aJ 弋玩 20 0() , 12 ( 5 ) : 3 1 6 G as ak e ll D .K 玩ltr od u e t i o n ot M e at l l雌i c ia hT e mr ed y . n a . m i e s . L o n d o n : M c G alr 即 . ilH 七197 3 7 李静波 . M O C V D 法影响 m 一 W 族半导体生长的热力 学分析 : 〔学位论文 〕 . 北京 : 北京科技大学 , 19 8 8 L I J , 丫劝g C , D o n g H . C o m P uet r S加u l iat ons o f Ph as e 肠山” 伪n n iat on in St e el s . M at e r l a l s an d eD ia g n , 20 1 , 2 :2 3 9 E fe e t o f M a gn e it e F i e ld rT e at m e in o n ht e rT ans fo n n iat on o f M i c or a ll o y e d S et e l 厂百刃口 G如川纳口心孔 曰石百天d 肛in l) l ) M翻比ir al S c ie cne an d E n g in 配钧明 S c h o l , U S T B e ij ing 10 0 8 3 , C h in a Z) 五场 6以 e o f M e at ll u 电1。 目P rOC e s s in g s C I SRI, B e ij ign 10 0() 8 1 , C h in a A B S T R A C T M a gn e t i c if e ld tr e at m e in e an a 月笼ct tr an s fo mr a t l o n Pr o e e s s fr o m au s t e n iet ot fe 币t e o f m i cor a l - l o y e d s et el , e s Pe ic al ly, in het cun le iat on r a t i o an d gr o w ign r at e of fe币 et . M a gn e t l c if le d etr a it n e nt c an icn er as e n u c le iat on art in of fe币 t e , m e an w h ile , 也 e gr o w ign r at e 15 e iln acn ed . T h e tr a n s fo mr iat on p e ir o d 15 de er as ed du e ot het fu n ict on of m a gn iet c ife ld , 叨d het er if n e gr a in s rP es ent if n a l .ls K E Y WO R D S tr a n s fo n n iat on ; 而 cor al o ey d s et ;el m a g n iet c ife ld