纯铁中强磁场对纯铁渗碳的影响检测方案(金相显微镜)

强磁场对纯铁渗碳的影响 摘要：研究了稳恒磁场(OT， 1T， 12T)对纯铁渗碳行为的影响。实验发现，磁场方向与渗碳方向垂直时，促进渗碳进行；磁场方向与渗碳方向平行时，抑制渗碳进行。碳化物沿磁场方向择优生长，并且磁场强度越大，对渗层厚度影响越大。 关键词：强磁场；J；渗渗；纯铁； Fe3C 磁场与温度、压力一样，都是重要的热力学参数，它可以改变材料的内能。强磁场热处理技术就是在材料的热处理过程的某个阶段加入强磁场，以达到影响其组织及性能的目的。当物质处于磁场中时，附加磁自由能的存在会对整个体系的吉布斯自由能产生影响。因此，原子的扩散、物质的相变，以及相关热力学、动力学现象都会受到磁场的影响。2005年，S.Nakamichi 等人研究了磁场强度和磁场梯度对于 C 原子和 Ni 原子在 y-Fe 中的扩散行为，发现6T 的稳态磁场抑制了C原子的扩散，但是沿着磁场梯度方向的C原子的扩散却被加强了。同时，磁场对于 Ni 原子的扩散没有影响。Hideyuki[41]等人利用了纯铁和 Fe-C扩散耦研究表明热，热处理800℃(奥氏体铁素体两相区温度)24h时， H=10T的磁场抑制了C原子的扩散，然而，在930℃(奥氏体单相区间)下保温5h， 没有发现磁场对于C 原子扩散有影响。 本实验在纯铁的渗碳过程中施加不同强度的恒稳强磁场，通过 X-ray 衍射、光学显微镜以及化学分析技术初步探讨强磁场对渗碳扩散过程组织的影响。 1实验材料与方法 实验材料采用中科院金属研究所(沈阳)提供的纯度为 99.95%的纯铁，外观尺寸为 7mm×100mmx100mm的板块状，退火后样品的晶粒尺寸约为120-150um， 切取10mm×8mm×7mm的块状样品。磁场渗碳热处理实验在东北大学材料电磁过程重点实验室完成，所采用的实验装置及样品摆放如图1所示。样品用固体渗碳剂(C： Na2C2O4： Na2CO3=55：30：：15)密封后，置于磁场中，外界选用 Ar 气体保证气压以及保护气体。 样品励磁，磁场由OT匀速升至12T须时间约 30min，样品达到不同磁场强度(OT、1T、12T)后升温至850℃，保温30min， 加热炉断电。由于炉子外壁水冷作用， 冷却速度约为25℃/min 具体强磁场热处理工艺如图2所示。 金相样品采用4%的硝酸酒精溶液在室温下进行腐蚀。在 Leica DM/T-400型金相显微镜观察样品剖面组织结构。对样品表面采用荷兰 PANalytical B.V XPert Pro PW3040/60 进行 X-ray 衍射表征分析，铜靶滤波片，扫描速度为 0.0667/min。并化学分析样品表层碳浓度。 2实验结果 图3给出了样品在0T、1T、12T三种不同磁场强度下以及垂直和平行两个方向下表面Fe3C 相 X-ray 衍射峰强度的比较。发现渗碳方向和磁场方向垂直时， Fe3C 相峰强度最大，无磁场次之，渗碳方向和磁场方向平行时最小。并且磁场强度越大，峰值相对的变化越明显。 由于渗碳方向和磁场方向平行时现象更为明显，选取三种磁场强度下样品的剖面显微组织，如图4。可见三种磁场条件下样品渗碳层的显微组织都是由珠光体组成，但因磁场强度不同，组织存在明显的差异。磁场强度为 OT时(a)，渗碳层较厚；当磁场强度为1T时(b)，渗层厚度开始减小，碳化物含量减少；当磁场强度达到12T时(c)，渗层厚度进一步减小，碳化物继续减少。除此现象之外，将图片放大至200倍。进一步比较细节，发现 OT磁场下(d)，渗碳层中碳化物沿晶界析出的方向杂乱，毫无取向性； 1T磁场下(e)，珠光体大致沿平行于磁场方向生长；12T磁场下(f)， 珠光体沿平行磁场方向生长更为明显致。 另外由图5可见各样品表面碳浓度化学分析数据，得到表层碳含量从高到低依次为渗碳方向与磁场方向上12T，L1T， OT， //1T， //12T的分析结果，这同时也验证了图3和图4的现象分析结果。 3分析与讨论 实验结果表明，纯铁渗碳热处理在不同磁场情况下，渗碳层组织厚度有着明显的差异。渗碳方向和磁场方向二者垂直时的渗碳层厚度要明显大于平行时。并且当二者垂直时，磁场强度越大，渗碳层碳化物含量越多；当二者平行时，磁场强度越大，渗渗层碳化物含量越少。这表明磁场强度和方向对渗碳扩散过程产生了明显的影响，即垂直磁场促进了渗碳的进行，磁场强度越大促进越大；而平行磁场抑制了渗碳的进行，磁场强度越大抑制越大。 磁场的施加会使样品内部的晶格结构发生一定的的变化，特别是相邻的铁原子之间受磁力排斥和吸引的影响，使晶格发生畸变，从而影响了碳原子在铁中的扩散。图6对一个晶胞磁场下渗碳过程，进行分析。渗碳过程中碳原子的扩散是一种固溶体的间隙扩散，碳原子存在于铁的八面体间隙结构之中每个铁原子又被两个八面体使用，碳原子配位数为2，铁原子配位数为6，因此化学式为 Fe3C。图6(a)中<001>方向为 Fe 的最易磁化方向。当施加外加磁场的时候，假若磁场平行于<001>方向， 则磁偶极子会沿着<001>方向平行排列。它们之间相互吸引力和排斥力作用就会导致八面体间隙在平行于磁场方向伸长，垂直于磁场方向缩短，使八面体结构发生畸变，图6(b)。因此，导致平行于磁场方向的碳原子扩散能能减小，垂直于磁场方向的碳原子扩散能垒增大。从而使畸变后的结构伸长端平行于磁场方向，碳原子在晶格中沿磁场方向扩散受到增强，样品中促进纵向生长同时抑制表面扩散；反之，碳原子在晶格中垂直磁场方向的扩散受到抑制，在样品中却促进了表面横向扩散，抑制纵向生长。 另外 Sob等65]等人证明在纯铁中，25重位晶界的磁矩要大于晶界内部磁矩。同时有实验证明 Ni 基体中也存在相同的现象，并且研究表明磁矩会随着原子浓度的增加而降低。当施加外磁场时，基体的晶界和和内部原子会发生不同的磁化过程，文献I52]示意性地表明晶界和晶内磁化的区别。磁化降低了晶界内部与晶界的能量差。在固态相变过程中，新相形核的位置可能有三种：：一是在母相中均匀形核；二是在二维晶界上形核；三是在晶棱及晶角上形核。其中二维晶界，晶棱及晶角各种缺陷处，由于点阵畸变造成的畸变能的增加，可以作为扩散和不均匀形核的动力。因此，渗碳过程中，碳化物会首先在晶界上扩散或形核析出。但是，当磁场降低了晶界内部与晶界的能量以后，垂直磁场方向的晶界碳化物析出的数量相对减少。同时，大量没有在晶界上消耗的多余碳原子会继续向晶内扩散，形成平行于磁场方向上的碳化物。解释了图4碳化物沿磁场方向择优生长的现象。 4 结论 磁场方向与渗碳方向垂直时，促进渗碳进行；磁场方向与渗碳方向平行时，抑制渗碳进行。碳化物沿磁场方向择优生长，并且磁场强度越大，对渗层厚度影响越大。 图1强磁场热处理装置及样品摆放示意图 Fig.1 Schematic of heat-treating equipment installed in the high magnetic fieldand sample arrangement. 图2样品磁场渗碳热处理工艺 Fig.2 Schematic carburization of heat treating process. 图3纯铁850℃， 0.5h 磁场渗碳后X-ray 衍射谱比较 Fig.3 X-ray diffraction patterns of pure iron carburized at 850 ℃ for 0.5h. 20 (degree) 图4850℃， 0.5h 渗碳样品不同磁场强过度下的金相显微分析 Fig.4 Microstructures of the samples carburized at 850℃ for 0.5h in magnetic field withvarious intensities. a、d H=0T； b、eH=1T： C、 IfIH=12T. 图5不同强度磁场下渗碳样品碳百分含量 Fig.5 Percentage of carbon of the samples carburized in magnetic field with various intensities. Intensity of Magnetic Field(Tesla) 图6 (a)非磁场下 bcc 晶格中的八面体间隙位置； (b)磁场下由于磁偶极子相互作用导致的变形后的八面体间隙 Fig.6 (a) Location of a carbon atom in an octahedral interstice of the bcc lattice without magneticfield： (b) The deformed octahedral interstice in the magnetic field due to the dipolar interaction 研究了稳恒磁场（0T，1T，12T）对纯铁渗碳行为的影响。实验发现，磁场方向与渗碳方向垂直时，促进渗碳进行；磁场方向与渗碳方向平行时，抑制渗碳进行。碳化物沿磁场方向择优生长，并且磁场强度越大，对渗层厚度影响越大。