強磁場作用下材料擴散型固態(tài)相變的微觀機理

宋建宇，婁長勝，張偉強，趙 驤，宋金陽

(1.沈陽理工大學(xué) 理學(xué)院，沈陽 110159；2.材料各向異性和織構(gòu)教育部重點實驗室(東北大學(xué))，沈陽 110004;3.東北大學(xué) 軟件學(xué)院，沈陽 110128)

強磁場材料科學(xué)作為一門新興的交叉學(xué)科得到了人們的廣泛關(guān)注[1]，其中在材料的固態(tài)相變過程中強磁場可以改變相組織的形態(tài)和大小這一現(xiàn)象成為研究者關(guān)注的焦點之一.2000年,Maruta等[2-3]在Fe-0.1%C、Fe-0.6%C合金的奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變過程中施加8 T強磁場，首次發(fā)現(xiàn)奧氏體平行于磁場方向呈鏈狀分布于鐵素體的基體內(nèi)，認為奧氏體晶核的磁偶相吸作用是這種鏈狀組織的形成原因.Shimotomai等[4-5]在Fe-0.1%C-0.2%Si-2.0%Mn、Fe-0.6%C和Fe-0.1%C-0.2%Si-1.3%Mn-0.1%Ti鋼奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變過程中施加12 T的強磁場，發(fā)現(xiàn)鐵素體組織平行于磁場方向伸長且呈鏈狀分布，認為其原因是鐵素體晶核的磁偶極子作用.Ohtsuka等[6]在加Nb亞共析鋼的共析轉(zhuǎn)變過程中施加10 T強磁場，發(fā)現(xiàn)鐵素體晶粒平行于磁場方向伸長并呈鏈狀分布.Hao等[7-8]在Fe-0.4%C合金擴散型相變過程中施加強磁場，發(fā)現(xiàn)鐵素體晶粒沿磁場方向呈鏈狀排列且被拉長，認為磁偶極子的相互作用是其原因.Zhang等[9-10]在42CrMo鋼奧氏體化后以不同速度進行冷卻過程中施加12 T強磁場，發(fā)現(xiàn)以10 ℃/min冷卻時鐵素體組織被拉長且呈鏈狀排列，研究者認為，鐵素體組織平行于磁場方向伸長且呈鏈狀排列可以降低退磁場能.Zhao等[11-15]研究了Fe-0.12%C、Fe-0.52%C和Fe-0.76%C合金在強磁場作用下的擴散型固態(tài)相變，同樣發(fā)現(xiàn)了磁場作用下材料室溫組織的形態(tài)各向異性，認為是磁偶極子作用和退磁場能共同作用的結(jié)果.

研究者將強磁場可以改變材料固態(tài)相變相組織的形態(tài)和大小的原因歸結(jié)為磁偶極子和退磁場這種宏觀的影響，但基于磁場對電子離子的影響這種更根本的微觀機理卻沒有報道.基于此,本文根據(jù)實驗結(jié)果提出強磁場作用下材料固態(tài)相變的微觀機理.

1 實 驗

1.1 強磁場對Fe-0.12%C合金固態(tài)相變組織形貌的影響

樣品的化學(xué)成分見表 1.樣品規(guī)格為7 mm×7 mm×1 mm.

表1 實驗用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

樣品置于磁場設(shè)備中心位置，樣品的7 mm×7 mm面與磁場方向平行，熱處理工藝如下：在真空度10-3Pa狀態(tài)下，分別在0、4、8、12 T磁感應(yīng)強度下，從室溫以5 K/min 的速度加熱到奧氏體化溫度(A3溫度)以上30 K 即1 165 K，保溫30 min后，以0.5 K/min的速度冷卻到873 K，然后爐冷至473 K，撤磁場和真空.樣品磨制拋光并腐蝕后用OLYMPUS/GX71型金相顯微鏡觀察室溫顯微組織.

1.2 強磁場對材料電子分布的影響

研究所用試樣為純鋁板，規(guī)格為200 mm×100 mm×10 mm.實驗用鋁板分別以長度方向即200 mm×10 mm面垂直于磁場方向和平行于磁場方向放置于磁場設(shè)備中心位置，常溫常壓下，分別在0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 T磁感應(yīng)強度下用PF66B型數(shù)字多用表測量長度方向電阻.

2 結(jié) 果

2.1 強磁場對Fe-0.12%C合金固態(tài)相變組織形貌的影響

分別在0、4、8及12 T磁場作用下，樣品經(jīng)熱處理后的室溫金相組織照片如圖1所示，圖中磁場方向為箭頭方向.照片中深顏色部分為珠光體組織，淺顏色部分為先共析鐵素體組織.

觀察金相照片發(fā)現(xiàn):無磁場(0 T)樣品的室溫顯微組織中(圖1(a))，淺色鐵素體組織的形貌為等軸形狀，深色的珠光體組織出現(xiàn)在鐵素體晶粒之間，一部分珠光體團為等軸狀形貌，另一部分珠光體團的形貌有長軸方向，但長軸方向呈現(xiàn)出無規(guī)分布，沒有微觀組織擇優(yōu)取向;而施加穩(wěn)恒強磁場進行熱處理后，樣品的室溫金相組織形貌變化顯著，在4和8 T磁場作用下(圖1(b)和(c))，位于鐵素體晶粒之間的珠光體組織的形貌變?yōu)榧氶L形狀，其中一部分珠光體組織的長軸方向平行于磁場方向，另一部分珠光體組織的長軸方向有平行于磁場方向的趨勢，并且珠光體組織平行于磁場方向的長度顯著增加，在12 T磁場作用下(圖1(d))，這種趨勢明顯增強，表明隨磁感應(yīng)強度增高，珠光體組織的長軸方向平行于磁場方向伸長的程度增強.另外，由金相照片也可以明顯看到，鐵素體組織平行于磁場方向伸長并呈鏈狀排列的趨勢隨磁感應(yīng)強度增高而增強.

2.2 強磁場對材料電子影響

常溫常壓下，鋁板分別以長度方向即200 mm×10 mm面垂直于磁場方向和平行于磁場方向放置，分別在0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 T磁感應(yīng)強度下用PF66B型數(shù)字多用表測量長度方向電阻的結(jié)果如圖2所示.圖2的測量結(jié)果表明，隨磁感應(yīng)強度增強，同一塊純鋁板，平行于磁場方向時電阻減小，垂直于磁場方向時電阻有增加趨勢.

圖1 強磁場作用下Fe-0.12%C合金的室溫顯微組織(箭頭方向為磁場方向)

Fig.1 Microstructures of Fe-0.12%C alloy under different magnetic flux density (The arrow direction is the magnetic field direction)

圖2 不同磁感應(yīng)強度下純鋁板的電阻

Fig.2 The resistance of the pure aluminum plate under different magnetic flux density

3 討論和分析

3.1 強磁場作用下擴散型固態(tài)相變微觀機理

研究者應(yīng)用強磁場處理不同材料觀察到了室溫組織中相似的形狀各向異性，這種相似的形狀各向異性必然有共同的微觀作用機理.

以西方女性的法律人格發(fā)展史為例。在相當長的一段歷史時期中，英美等國的女性所能享有的權(quán)利，和男性有著極大的不同。在美國，雖然平等的思想在獨立革命時期已日漸形成和傳播，但女性仍然處于明顯的從屬地位，沒有選舉權(quán)，不被允許擁有財產(chǎn)，沒有平等的就業(yè)機會和受教育機會……到19世紀，情況仍是如此，[注][美]霍華德·津恩：《美國人民史(第五版)》，許先春、蒲國良、張愛平譯，上海：上海人民出版社，2013年版，第93—101頁。英國的情況也差不多。[注]關(guān)于英國16到20世紀女權(quán)發(fā)展的情況，可參見[英]瑪格麗特·沃特斯：《女權(quán)主義簡史》，朱剛、麻曉蓉譯，北京：外語教學(xué)與研究出版社，2008年版。

圖1(a)是本文實驗1.1小節(jié)所述實驗樣品代表的擴散型相變的典型室溫組織，熱處理過程中，首先樣品隨溫度上升完全奧氏體化，此時溫度遠高于樣品的居里溫度，樣品處于順磁性狀態(tài).此時從微觀角度看，樣品由能夠自由運動的自由電子和排列成晶格狀的金屬離子組合而成，在無外場情況下，由于電子的自由運動而使自由電子在樣品內(nèi)均勻分布，金屬離子因熱起伏進行各方向幾率相同(無外場誘導(dǎo))的擴散運動.隨溫度降低到奧氏體化溫度以下，先共析鐵素體在易于形核的晶界處形核，并經(jīng)金屬離子擴散而長大成鐵素體組織;溫度降低到共析溫度后，剩余奧氏體組織轉(zhuǎn)變成珠光體組織，形成擴散型相變室溫顯微組織.

圖1(b)、(c)、(d)為4、8及12 T磁場作用下熱處理后樣品的室溫金相組織照片，在磁場作用下的熱處理過程中，樣品隨溫度上升完全奧氏體化，此時溫度遠高于樣品的居里溫度，樣品處于順磁性狀態(tài).從微觀角度看，樣品由能夠自由運動的自由電子和排列成晶格狀的金屬離子組合而成.此時，由于磁場的方向性，電子的運動與無磁場作用相比出現(xiàn)差異，平行于磁場方向運動的電子沒有受到磁場的作用即洛倫茲力的作用，而運動方向與磁場方向不平行的電子受到洛倫茲力F洛的作用：

F洛= -qv×B.

式中：q是電子電量，v是電子運動速度，B是磁感應(yīng)強度.因此，在材料內(nèi)部，平行磁場方向運動的電子不受磁場影響，而不平行于磁場方向運動的電子受到磁場有效束縛，形成“磁籠”效應(yīng)，從而使自由電子在樣品內(nèi)不再均勻分布，而是平行于磁場方向電子濃度增大，垂直于磁場方向電子濃度減小.本文實驗1.2小節(jié)順磁性的鋁在磁場中的電阻測量結(jié)果驗證了這種電子分布各向異性.

另外，在磁場作用下，金屬離子因熱起伏進行的擴散運動也受到相似的影響.擴散方向與磁場方向平行的金屬離子沒有受到磁場的作用即洛倫茲力的作用，而擴散方向與磁場方向不平行的金屬離子受到洛倫茲力F洛的作用：

F洛=qv×B.

式中：q是電子電量，v是金屬離子擴散運動速度，B是磁感應(yīng)強度.因此,在磁場作用下，在材料內(nèi)部平行磁場方向擴散的金屬離子不受磁場影響，而擴散運動方向不平行于磁場方向的金屬離子受到磁場束縛，從而使金屬離子擴散運動方向平行于磁場方向的幾率增大;另一方面,電子在磁場作用下的各向異性分布也提高了帶異性電荷的金屬離子沿著磁場方向擴散的幾率，在這兩方面的共同作用下，金屬離子沿著磁場方向擴散的幾率顯著提高.

隨溫度降低，在磁場作用下，金屬離子沿著磁場方向擴散使得樣品在固態(tài)相變過程中，鐵素體組織沿著磁場方向形核和生長的幾率增大，從而形成沿磁場方向分布的鏈式先共析鐵素體組織，在溫度下降到共析溫度時，處于鏈式鐵素體組織之間的沿著磁場方向分布的奧氏體組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w組織，形成了磁場作用下熱處理后樣品的室溫金相組織.

隨著磁感應(yīng)強度增強，樣品中自由電子和金屬離子所受洛倫茲作用增強，從而使材料內(nèi)部電子分布各向異性和金屬離子沿磁場方向擴散的效應(yīng)增強，從而形成隨著磁感應(yīng)強度增高樣品中鐵素體晶粒平行于磁場方向伸長且呈鏈狀排列的程度增強，珠光體團的長軸方向平行于磁場方向伸長的程度也增強的室溫組織形貌.

3.2 強磁場對Fe-0.12%C合金組織形貌影響的討論和分析

樣品在不同磁感應(yīng)強度下進行的磁場熱處理實驗過程中，當完全奧氏體化的Fe-0.12%C合金溫度降低到析出先共析鐵素體時，按本文3.1小節(jié)所述微觀機理，隨磁感應(yīng)強度增高，磁場對鐵離子和自由電子的洛倫茲作用增強，導(dǎo)致鐵素體晶粒平行于磁場方向形核和生長的趨勢增強.另外,當溫度降低到居里溫度時，由于洛倫茲力作用平行于磁場方向生長的鐵素體晶粒在磁場作用下被磁化，從而產(chǎn)生退磁場，按照退磁場理論，鐵素體晶粒生長成平行于磁場方向伸長的組織形貌，可以降低系統(tǒng)能量.再者，被磁化的鐵素體晶粒成為相互作用的磁偶極子，這種磁偶極子間的相互作用也提高了鐵素體組織平行于強磁場方向生長的幾率，這樣在本文所述微觀機理、退磁場和磁偶極子的共同作用下，樣品中的先共析鐵素體晶粒形成平行于強磁場方向伸長并呈鏈狀排列的組織形貌，同時多余的碳原子被排斥到鐵素體組織生長方向的兩側(cè)，使剩余的未轉(zhuǎn)變的奧氏體含碳量升高，并且未轉(zhuǎn)變的奧氏體處于由鐵素體組織形成的平行于磁場方向的鏈狀組織的狹縫之間.當溫度降低到共析溫度時，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榕c磁場方向平行的細長的珠光體團，形成了磁場作用下珠光體組織的長軸方向呈現(xiàn)與磁場方向平行且伸長的趨勢的微觀組織形貌.

由于隨磁感應(yīng)強度增強，本文所述微觀機理、退磁場和磁偶極子的作用相應(yīng)增強，所以隨著磁感應(yīng)強度增高，樣品中鐵素體組織平行于磁場方向伸長且呈鏈狀排列的程度增強，珠光體組織的長軸方向平行于磁場方向且伸長的程度也增強.

3.3 強磁場對材料電子分布影響的討論分析

為了驗證本文提出的微觀機制中在強磁場作用下材料電子分布的各向異性，用順磁性的鋁驗證材料在強磁場下電子的分布狀態(tài).

材料的電阻在材料幾何形狀不變的情況下由材料的電阻率決定，電阻率(ρ)由電子濃度(n)和電子遷移率(μ)決定，即

式中,q是電子電量.由于電子遷移率(μ)由材料內(nèi)部散射機構(gòu)決定，相同材料在溫度相同的情況下由于散射機構(gòu)作用相同，所以μ不變，而在磁場作用下，處于相同溫度下的同一塊純鋁板，平行于磁場方向放置時電阻減小，垂直于磁場方向時電阻增加，說明在磁場作用下，材料的電子濃度分布出現(xiàn)各向異性，材料的電子濃度平行于磁場方向增大，垂直于磁場方向有減小趨勢，而且這種各向異性隨磁感應(yīng)強度增大而增強.

4 結(jié) 論

1) 隨磁感應(yīng)強度增強，F(xiàn)e-0.12%C合金固態(tài)相變室溫金相組織中，鐵素體組織平行于磁場方向伸長且呈鏈狀排列的程度增強，珠光體組織的長軸方向平行于磁場方向且伸長的程度也逐漸增強.

2)隨著磁感應(yīng)強度增強，樣品中自由電子和金屬離子所受洛倫茲作用增強，使材料中電子分布各向異性和金屬離子沿磁場方向擴散的效應(yīng)增強.

3) 在材料擴散型固態(tài)相變過程中施加強磁場，隨著磁感應(yīng)強度增高，結(jié)論2)的微觀機制疊加退磁場和磁偶極子作用，導(dǎo)致樣品中室溫組織出現(xiàn)形狀各向異性的程度增強.

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