宋建宇，婁長(zhǎng)勝，張偉強(qiáng)，趙 驤，宋金陽(yáng)

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 理學(xué)院，沈陽(yáng) 110159；2.材料各向異性和織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北大學(xué))，沈陽(yáng) 110004;3.東北大學(xué) 軟件學(xué)院，沈陽(yáng) 110128)

強(qiáng)磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)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(diǎn)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(qiáng)磁場(chǎng)，首次發(fā)現(xiàn)奧氏體平行于磁場(chǎng)方向呈鏈狀分布于鐵素體的基體內(nèi)，認(rèn)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(qiáng)磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)鐵素體組織平行于磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)且呈鏈狀分布，認(rèn)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(qiáng)磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)鐵素體晶粒平行于磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)并呈鏈狀分布.Hao等[7-8]在Fe-0.4%C合金擴(kuò)散型相變過程中施加強(qiáng)磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)鐵素體晶粒沿磁場(chǎng)方向呈鏈狀排列且被拉長(zhǎng)，認(rèn)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(jìn)行冷卻過程中施加12 T強(qiáng)磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)以10 ℃/min冷卻時(shí)鐵素體組織被拉長(zhǎng)且呈鏈狀排列，研究者認(rèn)為，鐵素體組織平行于磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)且呈鏈狀排列可以降低退磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)作用下的擴(kuò)散型固態(tài)相變，同樣發(fā)現(xiàn)了磁場(chǎng)作用下材料室溫組織的形態(tài)各向異性，認(rèn)為是磁偶極子作用和退磁場(chǎng)能共同作用的結(jié)果.

研究者將強(qiáng)磁場(chǎng)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(chǎng)這種宏觀的影響，但基于磁場(chǎng)對(duì)電子離子的影響這種更根本的微觀機(jī)理卻沒有報(bào)道.基于此,本文根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出強(qiáng)磁場(chǎng)作用下材料固態(tài)相變的微觀機(jī)理.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)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(shí)驗(yàn)用鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

樣品置于磁場(chǎng)設(shè)備中心位置，樣品的7 mm×7 mm面與磁場(chǎng)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(qiáng)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(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)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(shí)驗(yàn)用鋁板分別以長(zhǎng)度方向即200 mm×10 mm面垂直于磁場(chǎng)方向和平行于磁場(chǎng)方向放置于磁場(chǎng)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(qiáng)度下用PF66B型數(shù)字多用表測(cè)量長(zhǎng)度方向電阻.

2 結(jié) 果

2.1 強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)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(chǎng)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(chǎng)方向?yàn)榧^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(chǎng)(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(tuán)為等軸狀形貌，另一部分珠光體團(tuán)的形貌有長(zhǎng)軸方向，但長(zhǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)進(jìn)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(chǎng)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?xì)長(zhǎng)形狀，其中一部分珠光體組織的長(zhǎng)軸方向平行于磁場(chǎng)方向，另一部分珠光體組織的長(zhǎng)軸方向有平行于磁場(chǎng)方向的趨勢(shì)，并且珠光體組織平行于磁場(chǎng)方向的長(zhǎng)度顯著增加，在12 T磁場(chǎng)作用下(圖1(d))，這種趨勢(shì)明顯增強(qiáng)，表明隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增高，珠光體組織的長(zhǎng)軸方向平行于磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)的程度增強(qiáng).另外，由金相照片也可以明顯看到，鐵素體組織平行于磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)并呈鏈狀排列的趨勢(shì)隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增高而增強(qiáng).

2.2 強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)材料電子影響

常溫常壓下，鋁板分別以長(zhǎng)度方向即200 mm×10 mm面垂直于磁場(chǎng)方向和平行于磁場(chǎng)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(qiáng)度下用PF66B型數(shù)字多用表測(cè)量長(zhǎng)度方向電阻的結(jié)果如圖2所示.圖2的測(cè)量結(jié)果表明，隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，同一塊純鋁板，平行于磁場(chǎng)方向時(shí)電阻減小，垂直于磁場(chǎng)方向時(shí)電阻有增加趨勢(shì).

圖1 強(qiáng)磁場(chǎng)作用下Fe-0.12%C合金的室溫顯微組織(箭頭方向?yàn)榇艌?chǎng)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(qiáng)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(qiáng)磁場(chǎng)作用下擴(kuò)散型固態(tài)相變微觀機(jī)理

研究者應(yīng)用強(qiáng)磁場(chǎng)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(jī)理.

以西方女性的法律人格發(fā)展史為例。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段歷史時(shí)期中，英美等國(guó)的女性所能享有的權(quán)利，和男性有著極大的不同。在美國(guó)，雖然平等的思想在獨(dú)立革命時(shí)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(cái)產(chǎn)，沒有平等的就業(yè)機(jī)會(huì)和受教育機(jī)會(huì)……到19世紀(jì)，情況仍是如此，[注][美]霍華德·津恩：《美國(guó)人民史(第五版)》，許先春、蒲國(guó)良、張愛平譯，上海：上海人民出版社，2013年版，第93—101頁(yè)。英國(guó)的情況也差不多。[注]關(guān)于英國(guó)16到20世紀(jì)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(jiǎn)史》，朱剛、麻曉蓉譯，北京：外語(yǔ)教學(xué)與研究出版社，2008年版。

圖1(a)是本文實(shí)驗(yàn)1.1小節(jié)所述實(shí)驗(yàn)樣品代表的擴(kuò)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(shí)溫度遠(yuǎn)高于樣品的居里溫度，樣品處于順磁性狀態(tài).此時(shí)從微觀角度看，樣品由能夠自由運(yùn)動(dòng)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(chǎng)情況下，由于電子的自由運(yùn)動(dòng)而使自由電子在樣品內(nèi)均勻分布，金屬離子因熱起伏進(jìn)行各方向幾率相同(無外場(chǎng)誘導(dǎo))的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng).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(kuò)散而長(zhǎng)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(kuò)散型相變室溫顯微組織.

圖1(b)、(c)、(d)為4、8及12 T磁場(chǎng)作用下熱處理后樣品的室溫金相組織照片，在磁場(chǎng)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(shí)溫度遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)的自由電子和排列成晶格狀的金屬離子組合而成.此時(shí)，由于磁場(chǎng)的方向性，電子的運(yùn)動(dòng)與無磁場(chǎng)作用相比出現(xiàn)差異，平行于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的電子沒有受到磁場(chǎng)的作用即洛倫茲力的作用，而運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)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(yùn)動(dòng)速度，B是磁感應(yīng)強(qiáng)度.因此，在材料內(nèi)部，平行磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的電子不受磁場(chǎng)影響，而不平行于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)的電子受到磁場(chǎng)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(chǎng)方向電子濃度增大，垂直于磁場(chǎng)方向電子濃度減小.本文實(shí)驗(yàn)1.2小節(jié)順磁性的鋁在磁場(chǎng)中的電阻測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了這種電子分布各向異性.

另外，在磁場(chǎng)作用下，金屬離子因熱起伏進(jìn)行的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)也受到相似的影響.擴(kuò)散方向與磁場(chǎng)方向平行的金屬離子沒有受到磁場(chǎng)的作用即洛倫茲力的作用，而擴(kuò)散方向與磁場(chǎng)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(kuò)散運(yùn)動(dòng)速度，B是磁感應(yīng)強(qiáng)度.因此,在磁場(chǎng)作用下，在材料內(nèi)部平行磁場(chǎng)方向擴(kuò)散的金屬離子不受磁場(chǎng)影響，而擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向不平行于磁場(chǎng)方向的金屬離子受到磁場(chǎng)束縛，從而使金屬離子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向平行于磁場(chǎng)方向的幾率增大;另一方面,電子在磁場(chǎng)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(chǎng)方向擴(kuò)散的幾率，在這兩方面的共同作用下，金屬離子沿著磁場(chǎng)方向擴(kuò)散的幾率顯著提高.

隨溫度降低，在磁場(chǎng)作用下，金屬離子沿著磁場(chǎng)方向擴(kuò)散使得樣品在固態(tài)相變過程中，鐵素體組織沿著磁場(chǎng)方向形核和生長(zhǎng)的幾率增大，從而形成沿磁場(chǎng)方向分布的鏈?zhǔn)较裙参鲨F素體組織，在溫度下降到共析溫度時(shí)，處于鏈?zhǔn)借F素體組織之間的沿著磁場(chǎng)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(chǎng)作用下熱處理后樣品的室溫金相組織.

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

3.2 強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)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(qiáng)度下進(jìn)行的磁場(chǎng)熱處理實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)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(shí)，按本文3.1小節(jié)所述微觀機(jī)理，隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增高，磁場(chǎng)對(duì)鐵離子和自由電子的洛倫茲作用增強(qiáng)，導(dǎo)致鐵素體晶粒平行于磁場(chǎng)方向形核和生長(zhǎng)的趨勢(shì)增強(qiáng).另外,當(dāng)溫度降低到居里溫度時(shí)，由于洛倫茲力作用平行于磁場(chǎng)方向生長(zhǎng)的鐵素體晶粒在磁場(chǎng)作用下被磁化，從而產(chǎn)生退磁場(chǎng)，按照退磁場(chǎng)理論，鐵素體晶粒生長(zhǎng)成平行于磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)方向生長(zhǎng)的幾率，這樣在本文所述微觀機(jī)理、退磁場(chǎng)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(qiáng)磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)并呈鏈狀排列的組織形貌，同時(shí)多余的碳原子被排斥到鐵素體組織生長(zhǎng)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(chǎng)方向的鏈狀組織的狹縫之間.當(dāng)溫度降低到共析溫度時(shí)，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榕c磁場(chǎng)方向平行的細(xì)長(zhǎng)的珠光體團(tuán)，形成了磁場(chǎng)作用下珠光體組織的長(zhǎng)軸方向呈現(xiàn)與磁場(chǎng)方向平行且伸長(zhǎng)的趨勢(shì)的微觀組織形貌.

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

3.3 強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)材料電子分布影響的討論分析

為了驗(yàn)證本文提出的微觀機(jī)制中在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下材料電子分布的各向異性，用順磁性的鋁驗(yàn)證材料在強(qiáng)磁場(chǎng)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(jī)構(gòu)決定，相同材料在溫度相同的情況下由于散射機(jī)構(gòu)作用相同，所以μ不變，而在磁場(chǎng)作用下，處于相同溫度下的同一塊純鋁板，平行于磁場(chǎng)方向放置時(shí)電阻減小，垂直于磁場(chǎng)方向時(shí)電阻增加，說明在磁場(chǎng)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(chǎng)方向增大，垂直于磁場(chǎng)方向有減小趨勢(shì)，而且這種各向異性隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增大而增強(qiáng).

4 結(jié) 論

1) 隨磁感應(yīng)強(qiáng)度增強(qiáng)，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(chǎng)方向伸長(zhǎng)且呈鏈狀排列的程度增強(qiáng)，珠光體組織的長(zhǎng)軸方向平行于磁場(chǎng)方向且伸長(zhǎng)的程度也逐漸增強(qiáng).

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

3) 在材料擴(kuò)散型固態(tài)相變過程中施加強(qiáng)磁場(chǎng)，隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度增高，結(jié)論2)的微觀機(jī)制疊加退磁場(chǎng)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(qiáng).

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