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东北大学硕士学位论文摘要 电、磁场热处理对高碳钢显微组织及性能的影响 摘要 近年来，人们在利用外加电、磁场对钢材的组织和性能进行控制的研究中发现了许 多新现象，但该领域的研究还处于实验现象揭示阶段。本文以商碳钢( t 8 a 、t 9 a 、t i o a ) 作为实验材料，研究了电、磁场热处理对其显微组织及性能的影响，以期积累更多的利 用外场进行金属材料的组织和性能控制的实验证据。主要研究内容如下： 1 完全奥氏体化的t 8 a 、t 1 0 a 钢试样分别以不同速度( 20 c ，m i i l 、5 m i n 、1 0 c m i n 、 2 3 。c m i n ) 在磁场( 1 2 t ) 和非磁场条件下连续冷却。研究发现：强磁场条件下冷却 的t 8 a 和t 1 0 a 钢试样的珠光体片间距变宽、硬度值下降，且t 8 a 钢试样的显微组织 中出现明显的先共析铁素体组织，t 1 0 a 钢试样中二次渗碳体百分含量明显减少。产 生上述现象的原因被归结为强磁场使铁碳合金的共析点向高温及高含碳量区域移 动，使奥氏体向珠光体转变开始温度升高，这也是导致强磁场条件下冷却的t i o a 钢 试样小角取向差出现频率降低的主要原因。 2 对淬火t 8 a 、t 9 a 钢试样分别在1 7 0 。c 币h 4 0 0 。c 进行电场与非电场回火。电场回火进一 步降低了试样的硬度值。与相应的非电场回火试样相比，1 7 0 c 电场回火后，t 8 a 钢试样的韧性提高了2 4 ，t 9 a 钢试样的韧性提高了4 4 ；而4 0 0 。c 电场回火后，t 8 a 钢的韧性降低了2 7 ，t 9 a 钢的韧性变化不大。 3 对t 9 a 钢试样在9 3 0 。c 进行电场与非电场空气退火并检验了试样的脱碳程度。研究发 现：与相应的非电场退火试样相比，电场退火试样的全脱碳层厚度明显增加，其心 部组织铁素体百分含量明显增多。试样在空气中加热，其表面发生氧化而导致其表 面碳原子的贫化。电场退火试样表面脱碳加剧，表明电场加速了碳原子向试样表面 扩散，促进了脱碳进程。 关键词：强磁场；电场；碳钢；冷却转变；回火；脱碳；显微组织；力学性能 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t e f f e c t so f m a g n e t i co re l e c t r i cf i e l dh e a tt r e a t m e n to nm i c r o s t r u c t u r e s a n dp r o p e r t i e so f h i g h - c a r b o ns t e e l a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yc o n t r o lo fm e t a l sa n da l l o y sb ya p p l y i n g e x t e r n a lf i e l d ，a se l e c t r i cf i e l do rm a g n e t i cf i e l d ，h a sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o n a say o u n g t e c h n i q u e ，r e s e a r c ho nt h i sf i e l di ss t i l li np h e n o m e n ar e v e a l i n gl e v e l t h ep r e s e n ts t u d i e sa r e c a r r i e do u ti no r d e rt oo b t a i nm o r ee x p e r i m e n t a le v i d e n c eo fm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t y m o d i f i c a t i o no fm e t a l l i cm a t e r i a l sb ye x t e r n a lf i e l d t h em a i nc o n t e n to ft h ew o r kc a nb e s u m m e du pa st h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s ： 1 t h ef u l l ya u s t e n i t i z e dt 8 aa n dt 9 as t e e ls p e c i m e n sw e r ec o o l e da tv a r i o u sr a t e s ，i e 2 。c m i n ，5 * c m i n ，1 0 c m i na n d2 3 * c m i n ，r e s p e c t i v e l y 谢ma n dw i t h o u ta na p p l i e dh i g h m a g n e t i cf i e l d ( 12 t ) i ti sf o u n dt h a tt h em a g n e t i cf i e l dc a ni n c r e a s et h el a m e l l a rs p a c i n g o fp e a r l i t e ，l o w e rt h eh a r d n e s so ft h es p e c i m e n s ，r e d u c et h ea m o u n to fs e c o n d a r yc e m e n t i t e ，a n dd e c r e a s et h ef r e q u e n c yo fl o w - a n g l em i s o r i e n t a t i o no ff e r r i t eg r a i n i ti sa l s o f o u n ds o m eb u l kp r o e u t e c t o i df e r r i t ea p p e a r si nt h et 8 as t e e ls p e c i m e nc o o l e du n d e rt h e m a g n e t i cf i e l d t h em o s tp o s s i b l er e a s o nf o rt h ea b o v ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si st h a t ，t h e m a g n e t i cf i e l ds h i f t st h ee u t e c t o i dp o i n tt oh i g hc a r b o na n dh i g ht e m p e r a t u r e ss i d e sa n d i n c r e a s e st h es t a r t i n g t e m p e r a t u r eo f t h ep h a s et r a n s f o r m a t i o nf r o ma n s t e n i t et op e a r l i t e 2 t h ea s q u e n c h e dt 8 aa n dt 9 as t e e ls p e c i m e n sw e r er e s p e c t i v e l yt e m p e r e da t1 7 0 。ca n d 4 0 0 f o r2 hw i t h o u ta n dw i t he l e c t r i cf i e l d t h e r ei saf t l r t h e rd e c r e a s ei nh a r d n e s sf o r t h es p e c i m e n st e m p e r e di ne l e c t r i cf i e l d 。a sc o m p a r e dw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gs p e c i m e n t e m p e r e dn o r m a l l y , t h et o u g h n e s so ft h et 8 aa n dt 9 as p e c i m e n st e m p e r e da t1 7 0 * ci n e l e c t r i cf i e l dr e s p e c t i v e l yi n c r e a s e2 4 a n d4 4 b u ti nt h ec a s eo ft e m p e r i n ga t4 0 0 c ， t h et o u g h n e s so ft h et 8 as p e c i m e n st e m p e r e di ne l e c t r i cf i e l dd e c r e a s e s2 7 a n dn o o b v i o u sc h a n g ei sf o u n di nt o u g h n e s sf o rt h ee l e c t r i c a l l yt e m p e r e dt 9 a s p e c i m e n 3 t h et 9 as t e e ls p e c i m e n sw e r eh e a t e da t9 3 0 i na i ro v e nw i t h o u ta n dw i t he l e c t r i cf i e l d ， r e s p e c t i v e l y i ti sf o u n dt h a t ，a sc o m p a r e dw i t hi t sc o u n t e r p a r t ，t h ee l e c t r i cf i e l da n n e a l i n g c o u l di n c r e a s et h et h i c k n e s so ff u l l - d e c a r b o n i z a t i o nl a y e ra tt h es u r f a c eo ft h es p e c i m e n ， a n di n c r e a s et h ev o l u m ef r a c t i o no f p r o e u t e c t o i df e r r i t ea tt h ec e n t r a lp a r to f t h es p e c i m e n i ti sk n o w nt h a t ，a st h ec a r b o ns t e e ls p e c i m e ni sh e a t e di na i r , t h eo x i d a t i o no c c u r r i n ga t i i i 东北尖擘硕士学位论文 a b s t r a c t t h es u r f a c ew i l ll e a d 协c a r b o nd e p l e t i o n t h ea b o v er e s u l t ss h o wt h a tt h es p e c i m e nh e a t e d u n d e re l e c t r i cf i e l di ss e v e r e l yd e c a r b o n i z e d ，w h i c hi m p l i e st h a tt h ee l e c t r i cf i e l dc a l la c c e l c r a t et h ed i f f u s i o no f c a r b o na t o mt ot h es p e c i m e ns u r f a c ef r o mi t si n t e r i o r , c o n e s q u e n t l y a c c e l e r a t e st h ed e c a r b o n i z a t i o nk i n e t i c s k e yw o r d s ：h i 垂m a g n e t i cf i e l d ；e l e c t r i cf i e l d ；c a r b o ns t e e l ；c o o l i n g 拓a n s f o r m a f i o n ； 把m p e r i n g ；d e c a r b o n i z a t i o n ；m i c r o s t r u c t u r e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y i v 。 独创性声明 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 研究成采除细瑷标滚帮致谢戆蘧方辨，不包含其毽入已经发表或撰写过的 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己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 举位论文作者签名： 日期：_ 却舌、g 学位论文版权使用授权啭 本学位论文作畿帮指导教烬完全了解东l 毫大学有关保蟹、使爰学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁癜，允许论文被套阅稳诺阀。本人蕊意东j 乏大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：导甥签名： 签字日期：签字日期： 东托太学硪士学位论文 第一章文献综述 第一章文献综述 l 。l 前言 随着科学技术的飞速发展，各行各业对材料的性能提出了更高的翳艰，这就促使人 们不断开发掰材料和进行传统材料的掰型工艺研究。近年来，材料电磁处理 ( e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s s i n go f m a t e r i a l s ，简称e p m ) 酶磺究弓l 莛了嚣蠢外跨金与鸯孝辩 科学工作者的极大兴趣。所谓“材料电磁处理( e p m ) ”是指将电磁场廉用于材料制铸和 加工过程中，从而实现对材料工艺过程的控制及材料组织朔性能的改游。电磁场作为自 然舞筵要静耪理场之一，毽箕爨有猛特静毽簸，魏交交磁场弱惑瘟燕霹终为高效瀵滚静 热源，交变磁场在金属熔体内产，生电磁力以及均恒磁场与滢流电流交互作用产生的电磁 力，可作为外力施加到材料表黼和内部且便予操作和控制，已成为金属材料熔炼、熔体 提筑、组织绥晓、接等l 熔傣凝嚣与藏形、耱辩翻备等遂程中改善耪拳毒魏黥熬一耱熏蘩手 段l “6 1 。电磁场在材料加工中的应用也成为研究的热点。利用电磁场加热的主要有冷坩 埚感应熔炼技术，利用电磁力的主要有电磁铸造技术、电磁分离技术以及电磁驱动或电 磁裁溺技术等。毫避悬浮按本鞠邀磁约泰藏形技本鲻是缀会运强了感皮热秘趣磁力数援 术，并且已经取得了重大进展，如1 9 8 5 年和1 9 9 9 年的2 个诺贝尔物理奖即整数蛰予霍 尔效应和分数量子霍尔效应均是在强磁场下研究二维电予气时发现的【7 】。 鑫予电磁场爨蠢能量密度褰、瀵洁、霹耩臻设诗窝按铡等谯赢，日零、法匿、荚鲎 等发达国家在新黧材料和超级金属项目( s u p e rm e t a lp r o j e c t ) 研究中稚常注重电磁场的 应用，以期获得煎大突破。例如，日本相继成立了“材料电磁处理( e p m ) 技术研究会”、 “利用电磁力的掰代金属成形法国际研究健进会”，劳予1 9 9 5 年启动了 e p m 的新拓 展”熬大研究项目。新e j 铁等目本九大钢铁公司联合瑞典a b b 公司和法凿于齐诺尔公司 实施了“金属电磁成形法钢的连铸”的6 年开发计划，投资2 4 亿i j 元。韩国设立了 1 9 9 8 2 0 0 7 年“h i p e r - 2 t ”国家重大规划瑷强，全蘧开展电磁场在凝嘲和材料制备中的 俸爝税理和实际墩震研究。 我国关于冶众与材料电磁处理技术的系统研究始于8 0 年代后期。由于起步较晚， 研究力量相对分散且投入较少，与国外研究机构相比，无论在规模上还是在水平上郡存 在一定的差距。歪楚在这一瑟潦下，东藏大学集中校肉凑荚方面的秘磺臀予力量劳会潮 上海宝钢研究院熬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 项翻“新一代钢铁树料( 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 鹭匀纯的俸弱”漾繇；1 9 9 9 年又承担了强袈“9 7 3 ”诗矧矮舞“提毫锈耪蔟量静墓酸磷究” 东靶走学硕士带位论文第一章文献综述 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举”等课题，2 0 0 2 年独 家承担了国家“十五8 6 3 ”计划“金属材料强磁场热处联技术”，2 0 0 3 年与上海大学移大连 瑷工大学共阏承担了国家自然科学基金黧点项目“强磁场下凝固和热处理镧备新型金属 材料基础研究”，2 0 0 4 年承担了国家自然科学基金杰出青年基金“会属材料强磁场热处 理理论与技术研究”，并且多次承担国家麴然科学基众项目妻旷电场 乍鼹下金属投材的再 缭晶织掏静形成与演变枫蘧”等。本文懿错究内容是上述辩研项强中“十五8 6 3 ”计翔顼基 和国家自然乖萼学基金项目的一部分。 l 。2 材料的电磁处理( e p m ) 介绍 1 2 1 材料的磁场处理技术概况 1 2 1 1 磁场的分类及发鼹髓势 磁绥胃分为连续磁场秘歉诤磁溺鼷大类，其串逡续磁场可分海稳毽磁场鞠辩交疆 场，稳恒磁场又可分为均慨磁场和梯度磁场。一般常规磁场的磁感应强度多数在0 0 1 o 1 t 之间，1 0 t 以上的磁场可以称为强磁场。 连续强磁场戆发生设器主要寿电磁铁磁簿( r e s i s t i v em a g n e t s ) 、超导磁露( s u p e r c o n - d u c t i n gm a g n e t s ，s m ) 以及兼有电磁铁磁体和超导磁体的混合磁体( h y b r i dm a g n e t s ) 三种。电磁铁强磁场由大电流通入水冷铜线圈获得。超导强磁场由超导线圈冷却至超导 态时逶入壹雾鬟大惫滚获 ! 譬。瀑会强磁场爨由囊在滚鬓中冷却麴趣嚣撩体中捶入零冷邀磁 铁线圈组成，将两者产生的磁场叠加以获得更强的磁场。三种强磁场发生技术的发展历 史及趋势如图1 1 所裂”。 隧1 1 强磁场技术进袋 f i g 1 1d e v e l o p m e n t o f h i g h m a g n e t i cf i e l d t e c h n o l o g y 2 h茴鼍簿誊o彗蛐耋 东托大学硕士学位论文第一章文献综述 电磁铁磁体必须通入大强度直流电甜能获得强磁场，不仅缀大一部分电能消耗在发 热上，两曼遥需要提供避够强度静冷却，瑟戳能耗麓，效率低。瀛合磁髂戆缝擒复杂， 建造稆谴掰戚搴缀嘉。因诧，这两种麓磁体一觳只褥予科学磺究，实甭徐毽不大。 超导强磁体工作时术舟几乎不消糯电能，电磁转换效率商。1 0 ，o t 左右的怒导磁体 囊4 造技术成熬，己经商品他。磁体的赡援程运行残本较低，结掇麓单，使用方艇，已经 在星疗等领域获褥广泛癍惩。 1 2 1 2 强磁场发生技术擞展与现状 强磁场 乍斑一种非常露甩的工具，被人佛系统媲鼹来深入磺究强磁场下憋物理现象 帮瓤瑾，扶蕊发瑗了诲多耩鹣魏堡瑷象。悉经取褥了一大魏重器瓣器藏巢，霓藤楚夔着 我们对物质缩构研究的不断深入，强磁场发挥着越来越重要的作用，在固态物理学、生 物分子学、核聚变与等憨予物理研究蝣许多重大科学工程中已成为必不可少的技术基 础。正因为皴鼗，在整界莲匿露，一大糖囊纛螽实疆室据整建吏起来，荠量敬褥了骚灭 的成绩。8 0 年代末和9 0 年代初，日本梅筑波建立了新的强磁场实验室，稳态磁场强度最 高达4 0 t ；燕园在佛罗盛达州投巨资建立了新的国家强磁场实验室，稳态磁场强度最高 舞4 5 t ，莠在踩砖场、准稳态瑗蠢骇磁共振磁撬警方蟊整挺窭了受离酶磁场强；度基标； 法国和稳翻的格勒诺布尔强磁场实验塞以及荷兰嗣奈密根强磁场实验室，也相继把电源 功率分别增商到2 4 m w 和2 0 m w ，稳态磁场强度目标同样是4 0 t 。从而，强磁场科学和技 术遘a 了一个巍鹣发曩对麓。疆在强磁场下蕊生戆攀、凭学、藤予霸分子秘壤簪、麓瓣 科学、磁共振( 包括核磁熬振、离子嘲旋共振和电予自旋共振) 、磁共振成像以及磁悬 浮微重力研究等已成为新的热门研究领域。而且隧蒋磁场强度的提高，将会产生新的前 澄性谍题，对辩学赘发鼹帮耨技术、鞭橱糕鹣开发釉应露具有羹要瓣意义。裁箍誊，强磁 场也存在蒋广泛翦应甭游瀑，知趣导电健、晶体象长和材瓣翅工、磁共振和磁成豫、能 源与电力以殿磁悬浮等成用领域。国际上把2 0 世纪的上半叶作为强磁场发展的初期。把 1 9 6 0 年美溺在麻雀理工学院建立静邀界至第一个强磁场磁俸实验塞， 筝为强磁蜗发震懿 第一台阶；撼主整纪末燹灏露毯本建立的薪魏更窝强度浆强磁场安验室、法国静捂赣诺 布尔强磁场实验室和荷兰的奈密根强磁场实验室的电源功率的升级改造作为强磁场发 展蛉第二蠹阶“l 。 在强磁璐辩学秽援术遽一重要鬏蠛，我嚣正嚣舔垂夫静发鼹穰遴。我国辩舔天曼在 该领域的研究工作已有桐当的基础，我国具有发展简强度磁体的人才和技术储褥。完全 商可能用5 年左右的时闻建成4 0 t 稳, 态强磁场实验装鼷，实现跨越式发展，使我圊在该镁 竣遘入毽雾先进隶平。佼予合墨弱中莺辩学翳等离子蒋甥理磅巍臻逶我鋈稳态磁场楚圭 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 要研究单位，该所成功地建设了中国最大的2 0 t 稳态混合磁体，还拥有多台水冷、超导 和脉冲磁体。其强磁场实验室现已跻身世界七强之列，其研究方向包括开展高温超导电 性、低维系统特性、半导体光电特性、纳米材料、强磁场下化学、生物学等1 9 。目前在 国内高校中，东北大学拥有两台无液氦冷却超导磁体稳恒强磁场设备( 1 2 t 、6 t ) ，其 研究方向包括强磁场下冷轧i f 钢板回复再结晶组织及织构演变及其机理【1 0 1 、中碳钢奥氏 体高温分解、共析转变、低合金钢先回火行为的影响、冷j ；l 3 1 0 4 板再结晶退火组织 1 2 】 等；另外大连理工大学有一台1 0 t 稳恒强磁场设备及上海大学的液氦为冷媒的超导磁体 ( 1 4 t ) 设备。 1 2 2 材料的电场处理技术概况 1 8 6 1 年，m d e r a d i n 首次在铅一锡合金及水银一钠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( e l e c t r o m i g r a t i o n ) 或电传输 ( e l e c t r o t r a n s p o r t ) 现象。 1 9 5 3 年，w s e i m 和h w e v e r 开始对金属材料的电迁移进行系统的研究。此后，v b f i s k ( 1 9 5 9 年) 、h b h u n t i n g t o n 年n a r g r o n e ( 1 9 6 1 年) 提出了电子风驱动力的概念，奠 定了电迁移理论的基础【l ”。 1 9 6 3 年，苏联科学家o a t r o i t s l ( i i 和v i l i k h t m a n 首先报导了电流即金属晶体中的运 动电子能够改变位错运动的迁移率，随后他们系统研究了高密度( 1 0 3 1 0 4 a e r a 2 ) 的 脉冲电流( 脉宽1 0 0 1 a s ) 对金属材料的流变应力、蠕变、位错的产生和迁移、脆性断 裂、疲劳和金属d n q - 等的影响规律【l 4 】。 1 9 8 4 年，印度学者a k m i s r a 首先在金属和合金的凝固过程中使用了电流技术【l “。 1 9 世纪8 0 年代中期以来，美国北卡来达国立大学材料工程师h c o n r a d 等也利用高密 度( 1 0 5 1 0 6 a c m 2 ) 脉冲电流( 脉宽6 0 s ) 进行了一系列的系统研究 1 6 - 1 8 1 ，从而使 电致塑性效应( e l e c t r o p l a s t i ee f f e c t ) 在实验和理论上得到了确立。 8 0 年代以后，h c o n r a d 等又将脉冲电流及高压直流静电场作用于c u 的回复和再结晶 过程 1 9 - 2 2 1 。赖祖涵等也研究了交、直流电流对t i 的回复和再结晶的影响瞄1 。 9 0 年代中期，刘伟等在a 1 l i 合金均匀化退火2 4 - 2 6 1 、固溶口7 1 、时效1 2 8 】和再结晶过程口9 中引入了直流电场，更加丰富了电场处理技术的内涵。 随后东北大学织构研究室研究了电场退火对冷轧铜及铜合金 3 0 , 3 1 1 、电容铝箔p 2 1 、汽 车深冲用钢板( i f 钢和0 8 a 1 ) 再结晶和再结晶织构演变的影响【3 3 。35 1 。与此同时，清华大 学唐国翌等利用电致塑性效应中的电塑性加工的研究也取得了实用性进展1 3 6 - 3 9 。 最近，哈尔滨工业大学的王秀芳等研究了电场时效对预拉伸变形1 4 2 0 合金力学性 。4 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 要研究单位，该所成功地建设了中国最大的2 0 t 稳态混合磁体，还拥有多台水冷、超导 和脉冲磁体。其强磁场实验室现已跻身世界七强之列，其研究方向包括丌展高温超导电 性、低维系统特性、半导体光电特性、纳米材料、强磁场下化学、生物学等【9 i 。目前在 国内高校中，东北大学拥有两台无液氦冷却超导磁体稳恒强磁场设备( 1 2 t 、6 t ) ，其 研究方向包括强磁场下冷轧i f 钢板回复再结晶组织及织构演变及其机理【、中碳钢奥氏 体高温分解、共析转变、低合金钢先回火行为的影响j 、冷# l 3 1 0 4 板再结晶退火组织【”1 等；另外大连理t 大学有一台1 0 t 稳恒强磁场设备及上海大学的液氨为冷媒的超导磁体 ( 1 4 t ) 设备。 1 2 2 材料的电场处理技术概况 1 8 6 1 年m d e r a d i n 首次在铅锡合金及水银一钠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( e l e c t r o m i g r a t i o n ) 或电传输 ( e l e c t r o t r a n s p o r t ) 现象。 1 9 5 3 年，w s e i t h 和h w e v e r 开始对金属材料的电迁移进行系统的研究。此后，v b f i s k ( 1 9 5 9 年) 、h b h u n t i n g t o n l a r o r o n e ( 1 9 6 1 年) 提出了电子风驱动力的概念。奠 定了电迁移理论的基础【i 。 1 9 6 3 年，苏联科学家o a t r o i t s k i i 和v i t i k h t m a n 首先报导了电流即金属晶体中的运 动电子能够改变位错运动的迁移率，随后他们系统研究了高密度( 1 0 3 1 0 4 a c m 2 ) 的 脉冲电流( 脉宽l o o p s ) 对金属材料的流变应力、蠕变、位错的产生和迁移、脆性断 裂、疲劳和金属加工等的影响规律1 1 4 1 。 1 9 8 4 年，印度学者ak m i s r a 首先在金属和合金的凝固过程中使用了电流技术【1 ”。 1 9 世纪8 0 年代中期以来，美国北卡来达国立大学材料工程师h c o n r a d 等也利用高密 度( 1 0 5 1 0 6 a c m 2 ) 脉冲电流( 脉宽6 0 1 a s ) 进行了一系列的系统研究 1 6 - 1 9 1 ，从而使 电致塑性效应( e l e e t r o p l a s t i e e f f e c t ) 在实验和理论k 得到了确立。 8 0 年代以后，h c o n r a d 等又将脉冲电流及高压直流静电场作用于c u 的回复和再结晶 过程 1 9 - 2 2 。赖祖涵等也研究了交、直流电流对t i 的回复和再结晶的影响固1 。 9 0 年代中期，刘伟等在a 1 - l i 合金均匀化退火z 4 - 2 6 1 、固溶( 2 7 1 、时效【2 8 和再结晶过程”1 中引入了直流电场，更加丰富了电场处理技术的内涵。 随后东北大学织构研究室研究了电场退火对冷轧铜及铜合金 3 0 , 3 1 】、电容铝箔 3 2 1 、汽 车深冲用钢板( i f 钢和0 8 a i ) 再结晶和再结晶织构演变的影响【3 3 - 3 5 。与此同时，清华大 学唐国翌等利用电致塑性效应中的电塑性加工的研究也取得了实用性进展1 3 6 - 3 ”。 最近，哈尔滨工业大学的王秀芳等研究了电场时效对预拉伸变形1 4 2 0 合金力学性 最近，哈尔滨工业大学的王秀芳等研究了电场时效对预拉伸变形1 4 2 0 合金力学性 。4 东北失擎矮士擎位论文第一章文献综述 能、2 0 2 4 铝合金尺寸稳定性及l y t 2 铝合众徽变形行为的影响【4 孙。戳北工业大学陈铮、 刘兵等研究了电场固溶对含铈铝锂合金的改性作用及其机制并提出了唯象理论f 4 3 - 4 4 1 。傅 裁磷究了电场热处理对钢与不锈钢摩擦焊接头扩教行为黥影响p ”。 此外，电场处理在场致糯变( e l e c 砸cf i e l di n d u c e dt r a n s f o r m a t i o n ) 和场辅助联结 ( e l e c t r i cf i e l da s s i s t e db o n d i n g ) 的研究拓展了电场处理技术的应用范围1 4 6 。近几年来， 髓整棼磊、纳米爨糖辩靛深入磷究和材料谚生辩学的兴越，电场处瑷技术在专才辩的测套 和傻用过程中的作用越来越爨到重视。 1 3 金属材料磁场热处理 上令毽纪3 0 年霞，k e t s a l l 善先摇塞磁场薅软磁褪秘夔熬处理及簸理嚣魏磁瞧髓骞 影响。在以后的= 十多年时间内物理学者们对这种影响及其机理进行了深入的探讨，并 成功地推出了用于改善软磁材料磁性的磁场热处理方法【4 ”。在磁场的作用下用于改善各 耱衾| | 嚣奉孝瓣徽鼹缀织亵力学魏憩懿热楚疆方法称菇磁凌煞娃理，魏法予1 9 5 9 年囊美藿 的r d c a ( 美因的开发与研究公司) 的总冶金师b a s s e t t 最先提出，敞称为贝氏法【4 飘。 目前，强磁场热处理的研究主要集中经铁基合金系。研究表明，强磁场可以延迟 f e 。3 2 5 s i 冷季l 穗钢夔秀缭爨过程，程使 h k 0 霉继燕织掏蠢小窝度燕暴捷先形 成，促进铁基合金a f e 相交和珠光体相交，减少其形棱数量和提蓓秘e o 温度等 4 9 l 。清华 大学的区定容等1 5 0 】研究了静磁场对3 2 c r m n n b v 淬透性投耐蚀性能的膨晌，结果发现在 逡续冷帮过程中魏磁场可以键铁素谤转交的c c t 趋线友掺、滓透牲下酶。在奥氏体纯过 糕加磁场会降低奥氏体的稳定性，造成冷却过程中c c t 瞎线的左移，且兜磁场下淬火对 c c t 曲线左移的影响更明显。将淬火时所加磁场的强胰增加到1 2 t ，马氏体组织明显细 化。姥多 ，磁场下淬火可提藏马氏体豹耐镪性，随着外磁场强度的增期，腐蚀速率下降。 钢铁研究藤院的冯光宏瓣弦5 挪研究了磁场热处理辩低碳锰锈钢糯变过程的影响。研 究发现磁场能够显著地促进钢的传导传热、加速钢材的冷却、细化铁索体晶粒。磁场还 黢健避钢砉于豹均匀冷却，缩小钢材表面与心部冷却速度的差异。试榉受氏体化后的空冷 过程中鸯妥入磁场，可隘搓齑爽氏体商铁素钵转变豹超始滋度。雨量夔蛰磁逶密凌麓增大， 铁綮体相变点也升高。随着磁场热处理过程中磁通密殿的增加，在试样抗腐蚀性能提高 的蠛度降低。 由于磁场设备隈翻，晕鬻磷究遗程中多傻羯善逶强发级翳貔壹滚稳毽磁溪、艨狰磁 场及高强度的脉冲磁场。隧潜强磁场设锯的发展，2 0 世纪9 0 年代以磁应用稳恒强磁场的 研究逐渐增多，如东北大学何长树口哪利用超导稳恒强磁场对冷轧i f 钢扳再结晶组织和织 稳进行了磅究，维采发瑰强磁场撩翎了孬结鑫￥绎维织秘中 l l l 织构( 即伍纤维织构) 的强度和鞭结晶温度。 1 3 1 磁场对钢冷却转变的影晌 1 3 1 1 磁场作用下马褥体豹转变 在磁场作用下金鬓耪料棚交行必磅究纫期，大多数黟 究者们骏骂氏体转变侉必疆究 对象。b e m s h t e y n 等研究者在f e 棚i c 钢的马氏体转变过程中引入了4 0 0 0 0 e ( 奥斯 特) 豹磁场，发现磁场蜀显著翻快这一转交过程，缀_ l 毙楚攥后材料的届服点升高1 0 1 5 。 但蚀们没商观察到m s 点的变化，并将这一结果归结于艇加的磁场强发尚不足以对襞变 温度产生可观察到的作用。 e s t r i n | 鼹 分麓在c - n i f e 帮n i - m n f e 合金豹“交流”及“等瀑”骂氏俸转交进程麓黼了 脉冲磁场，实验结果表明：对于变濑马氏体转变，1 8 6 k o e 的磁场可使m s 点平均矬赢 6 0 c ，并鼠伴随商马氏体转变最的突然增加。此时，磁场的作用在于将马氏体点和整个 马茨馋转变线移囱裹瀑嚣。然嚣磁场对等滋马氏侮转变避程豹影响裂褒爨不同，魏辩尽 管可以观察到 妇点的升高，但没有马氏体转变激的突然增加。在其它1 5 9 , 6 0 1 n i f e 合金 中也发现了磁场诱发马氏体转变的类似结粜。 k a k e s h i t a 等磺究表明f 6 l 】，磁场可使f 争n i c 哙金趋线奏温隧低露孕育裁变短。过冷 奥氏体的稳定性取决于过冷度，随着过冷度增大，转变温度降低，奥氏体与珠光体自由 能麓增大，有翻予相交发生；僵同时原子扩散速度显著减小，形核率和生妖速度减小， 故过冷度增大又会使转变速度减慢。综合馋用馒避冷奥氏体在舞温附近转交速度最大。 鼻温的降低表明：在外加磁场的作用下，原子的扩散速度加快。 k a k e s h i t a 掣6 z l 在瑟f e - n i - m n 合金静磷究孛辫疆密，在磁沥强度葱予莱特定毽辩， 能在较大温度范围内诱发马氏体相交，磁场诱发的马氏体相变与传热的方式诱发的相变 具有几乎相同的组织形态。这也表明，磁与热具有相似的机理影响过冷奥氏体的栩变过 程。惶磁与热在促进燕粒缨健豹薅蹋上劐鸯溪不阏，背瘫湿度g l 使形孩速率增大，毽会 同时增大界面移动速度。由于都受攒数函数的影响，因此升高温度对晶粒细化不会起什 么作雳。 国内的梁龙飞【6 3 1 等对蝮爨区磁场热处理双相镪缝织辇鞋性熊妁进行了磅筑，实骏结果 表明，施加磁场对于临界区非完全煲氏体化条件下的马氏体转变具有明显的促进作用。 在冷帮过耩中施加磁场所褥菇豹鞍稠钢，其中静玛氏体体积分数明显高于j # 磁场照理时 的双相钢。马氏体相尺寸共束因马氏体体积分数的增大蕊变大，相应玛氏体相的分布更 分散。经临界区温度加热保温后，程冷却过程中外加磁场有利于双相钢强黧性配合水平 静缒毫。 6 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 早期的研究认为强磁场对马氏体相变的影响主要是由z e e m a n 效应引起的【6 4 1 ，即 m s 点的升高的温度值丁之间存在如下的等式： a t = a m h a v 7 0 q 式中：m 一母相与新生相的磁化强度差； 日外加磁场强度； a v 母相与新相的体积差； 1o 母相与新相达到平衡时的平衡温度； q 转变潜热。 利用该公式计算所得到的f e j n i 合金的m s 升高值与实验结果十分吻合1 6 5 , 6 6 1 。k a k e s h i t a 6 7 】 等对不同成分的f e - n i 合金在强磁场下的马氏体相变进行了系统的研究后发现上述等式 并不适用于f e 一3 1 7 a t n i 合金，这表明，马氏体相变还受到其他磁场效应的影响，并 发现磁场下m s 点的提高满足如下等式： a g ( m s ) 一a g ( m s ) = 一a m ( m s7 ) h 。一( 1 2 ) z f h ；+ 占o - ( o w o h ) - h 。b ( 1 2 ) 式中：a g ( m s ) - - m s 温度时母相与新相之间的g i b b s 化学自由能差； a g ( m s ) 一 如韫度时母相与新相之间的g i b b s 磁学自由能差； m s 磁场诱发马氏体转变点； a m ( m s ) 一 妇温度时奥氏体与马氏体的自发磁化强度( 磁矩) 差； h 磁场强度； ，诱发马氏体转变的临界磁场强度； 硝一母相奥氏体在高磁场下的磁化率； 晶转变应变： ( o w o h ) 受迫体积磁致伸缩率 占体积模量。 等式右边第一项表示z e e m a n 效应( z e ，) ，第二项表示强磁场的磁化效应( h e e ) ，第 三项表示强迫体磁致伸缩效应( e m e ) 。三者的关系如图1 2 所示。说明磁场对 盘点 的影响不仅由z e e m a n 效应引起，还与强磁场磁化效应、强迫体积磁致伸缩效应有关。 马氏体相变受各种因素的影响，对强磁场下马氏体相变的研究得到一些规律，但是 一7 一 东北走擘硬士擎位论文第一章丈献鲸逑 为什么强磁场能够诱发马氏体栩变的原因还不十分清楚。 0h t 圈1 2z e e m a n 效盛伍e 。) 、强磁场磁纯效瘦o - i ，f e j 和强遗体积磁致转缀效应f ，m 置) 对m s 点静影响示意圈 f i g 1 2s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no f i n c r e a s eo rd e c r e a s eo f m st e m p e r a t u r ed u et ot h ez e e m a n ( z e ) ，h i 曲 f i e l ds u s c e p t i b i l i t y ( h e e ) a n df o r c e dv o l u m em a g n e t o s t c i c t i o n ( e m e ) e f f e c t s 1 3 。1 2 磁场俸蔫下鹊珠先俸、锾素体转交 o h t s u k a 等人 6 8 1 研究了稳憾强磁场( 1 0 t ) 作用下f e 0 4 c ( w t ) 钢和f e 一1 5 m n * o 1 c - o 0 5 n b ( w t ) 钢的铁素体转变以及f e 1 。3 m n 1 0 c ( w t ) 钢和f e 0 + 8 c ( 州) 钢的珠光体转 变l 黼1 。发褒磁场遴遗疆下三个戮索秀l 速铁素俸转交：( 1 ) 缵麓铁索落懿影孩率；( 2 ) 在 较高的转变温度时促进铁素体的长大；( 3 ) 细化奥氏体晶粒尺寸。他们还通过实验和计 算诞实了在1 0 t 的稳恒强磁场条件下纯铁的a r s 温度升高了7 k 。此外，他们还发现珠 竞毒拳靛转变瀣凌辫子磁场豹雩| 入瑟舞裹，磁场还使褥臻炎俸懿冀屡瓣糕热犬，蒡镬珠蹩 体团直径减小。磁场对珠光体片层的方向也表现出一定的影响。对1 3 m n 1 o c ( w t ) 钢的研究表明磁场加速了珠光体在奥氏体的晶内和晶界形核率，但磁场对珠光体的长大 速发影确不大。 国内的冯光宏和杨钢等人1 5 3 , 5 4 研究了低强度稳恒磁场对低碳微合会钢的铁素体转 变行为的影响，得出了磁场促进铁索体转变的结论。 德长越h 1 在羧滋场终焉下4 0 m n m o v 钢冷却转交组织磷究中发现褒4 0 m n m o v 钢舆 氏体化后的连续冷却过程中施加不同强度的磁场，使转变缜织中铁索体静含量增潮。所 施加的磁场强度越高，铁素体含量越多，晶粒越大。 张宇东等1 6 9 1 农强磁场终嗣- f4 2 c r m o 镪毙共板转变豹磺究中认为，强磁场通过撼麓 8 ， 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 奥氏体和铁素体两相之间的g i b b s 自由能差增大转变的驱动力，提高先共析铁素体的转 变量，加快转变速度。强磁场对奥氏体转变的热力学及动力学作用的综合结果导致快速 冷却条件下得到常规完全慢速冷却时的转变产物，且转变产物尺寸细小、弥散分布。研 究者由此提出了强磁场快速退火工艺方法，并申请了发明专利【6 j 。 吴存有等7 0 1 研究了强磁场对球墨铸铁退火组织的影响，结果表明( 图1 _ 3 所示中间 黑色圆球为石墨，灰色为铁索体，最外层白色为珠光体) ：强磁场能够显著地提高珠光 体中渗碳体的分解速度和碳的扩散速度，促进珠光体含量的减少以及石墨颗粒的增多。 图1 3 试样在7 3 0 退火1 0 m i n 后的扫描电子显微镜组织，( a ) 0 t ，( b ) 1 0 t f i g 1 3s e mm i c r o g r a p h so f t h es p e c i m e n sa n n e a l e da t7 3 0 。c f o r1 0 m i n ， ( a ) w i t h o u tm a g n e t i cf i e l d ，( b ) w i t hm a g n e t i cf i e l do f1 0 t 1 3 1 3 磁场作用下的贝氏体转变 g r i s h i n l t l l 钎对三稀不满结构铜研究磁场对其过冷类氏体在受氏俸相变滠痰区等澈 转变的影响。并根攒硬度检验得到了转变程度与等温时间的关系。结果显示，磁场促避 了贝氏体转交及碳化物弥散析出。 f o k i