近年来 ,随着电磁理论的发展与应用 ,人们开始着眼于用外加电磁场对钢材的组织进行控制·通过强磁场和大变形量加工共同作用来改变钢材的组织性能·根据目前的文献报道 ,国外在磁场热处理方面做了大量的工作·日本的下斗米道夫等人于 1 997年研究了强磁场相变的影响 ,并得到了在外加磁场作用下居里点附近非常重要的研究结果<1～ 3> ·碳素钢在磁场中逆相变的研究结果表明 ,沿着外加磁场的施加的方向 ,磁性相和非磁性相产生有规律的排列·研究人员预测在电磁场和变形同时作用下材料的组织将会产生与传统的工艺不同的细化效果<4,5> ·为此 ,本文采用改进的ＧＬＥＥＢＬＥ热模拟实验机 ,利用宝钢工业生产的ＳＳ40 0钢进行了电磁场和变形共同作用下晶粒细化实验研究 ,并进行了组织分析·实验结果表明 ,在电磁场的作用下 ,控制轧制的钢材组织的晶粒得到了进一步的细化·在实验研究的基础上 ,进行了理论分析·1 实验材料、设备及方法1 1 实验材料及设备实验材料为宝钢热轧厂生产的ＳＳ40 0钢 ,其化学成分如表 1所示·实验在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的Ｇｌｅｅｂｌｅ 1 50 0热模拟实验机上进行·为了进行电磁场作用下塑性变形对组织影响的实验研究 ,对现有的Ｇｌｅｅｂｌｅ 1 50 0热模拟实验机进行了改造 ,新设计了电磁场装置 ,并设计、安装了用于电磁场的大电流、低电压直流整流装置·实验过程中可以通过调节整流装置的输出电流来改变电磁场装置的电磁感应强度·电磁场装置的铁芯用工业纯铁制做而成 ,在铁芯上缠有一定匝数的水冷铜线圈·实验时将试样置于电磁场装置的Ｎ ,Ｓ极之间 ,根据实验制度的要求确定施加电磁场的起止时间和磁场强度·表 1 实验用钢的化学成分 (质量分数 ) % ＣＳｉＭｎＰＳ0 1 1 4 0 0 2 3 1 1 90 0 1 60 0 0 71 2 实验研究方案实验研究分为单道次压缩实验和双道次压缩实验·单道次压缩实验时将直径 8ｍｍ ,长 1 5ｍｍ的试样以 40℃ /ｓ的速度加热到 1 0 0 0℃ ,保温 3ｍｉｎ ,以 3℃ /ｓ的速度冷却到所设定的变形温度进行压缩·加热过程中不施加电磁场 ,以免电磁场对热模拟机的加热系统及采样系统产生干扰·在冷却过程中将电磁场调到所设定的强度 ,热模拟机按照预先设定好的工艺进行压缩变形·变形温度分别为 1 0 0 0 ,950 ,90 0 ,850 ,80 0 ,750和 70 0℃ ,变形程度为工程应变 60 % ,变形速度为 1ｓ- 1 ,电流强度分别为 4,5,6和 7ｋＡ·双道次压缩实验时 ,将直径 8ｍｍ ,长 1 5ｍｍ的试样以 40℃ /ｓ的速度加热到 1 0 0 0℃ ,保温 3ｍｉｎ ,以 3℃ /ｓ的速度冷却到 950℃ ,在电磁场作用下变形 ,变形程度为 2 0 % ·然后以 2 0℃ /ｓ的速度迅速冷却到 780℃ ,在电磁场作用下保温不同时间后进行压缩变形 ,变形程度为 40 % ,观察变形后的显微组织·实验时为了比较施加电磁场对组织的影响 ,采用同样的变形条件分别做了施加电磁场和不施加电磁场的两组实验·为了研究电磁场作用下变形程度和变形速度对组织的影响 ,制定了如下的实验研究方案 :将直径 8ｍｍ ,长 1 5ｍｍ的试样以 40℃ /ｓ的速度加热到1 0 0 0℃ ,保温 3ｍｉｎ,然后以 3℃ /ｓ的速度冷却到850℃进行变形·电流强度为 6ｋＡ ,变形程度为60 % ,变形速度分别为 1 ,0 5,0 1ｓ- 1 ;电流强度为6ｋＡ ,变形速度为 1ｓ- 1 ,变形程度分别为 60 % ,40 % ,2 0 % ·2 实验结果与分析<6>2 1 实验结果图 1是在相同的变形条件下 ,750℃变形时 ,无电磁场作用和施加电磁场作用条件下变形后的显微组织 ,由该图可以看出 ,有明显的区别 ,施加电磁场后晶粒得到了进一步的细化·在电磁场作用下变形后的组织中出现了许多极细的质点 ,说明电磁场对再结晶过程是有影响的·图 2是变形参数相同的条件下 ,所得到的变形后的组织随磁场强度变化的实验结果 ,由该图可以看出 ,随着磁场强度的增加 ,细小晶粒的数量明显增加·图 3是有磁场作用时不同变形速率条件下变形后所得到的组织 ,从该图可以看出 ,当变形速率低时 ,所得到组织中细小的晶粒数量增加·说明在变形过程中磁场的作用时间长时 ,对晶粒细化有促进作用·图 1 有无电磁场作用时变形后的显微组织750℃进行变形 ,变形速度 1ｓ-1,变形程度 60 % ,变形后空冷·有磁场时回路中的电流为 60 0 0Ａ·(ａ)—无磁场 ;(ｂ)—有磁场·图 2 不同磁场强度下变形后的显微组织加热温度 1 0 0 0℃ ,保温 3ｍｉｎ,变形温度 80 0℃ ,变形程度 60 % ,变形后空冷·(ａ)— 60 0 0Ａ ;(ｂ)— 70 0 0Ａ·图 3 不同变形速度条件下的显微组织变形温度 850℃ ,电流强度 60 0 0Ａ(ａ)— ε=1ｓ-1;(ｂ)— ε =0 1 ｓ-1·图 4是在电磁场作用下双道次压缩时的实验结果·于第一道次压缩后 ,冷却到第二道次压缩温度 ,在第二次压缩前停留不同的时间 ,然后进行压缩 ,在两道次压缩过程中始终有电磁场作用·从该图可以看出 ,第二变形前停留时间长时 ,细小晶粒的数量增多 ,细化比较明显·图 4 磁场作用不同时间条件下的显微组织(ａ)— 1ｍｉｎ ;(ｂ)— 2ｍｉｎ·由上述实验研究可以看出 ,在电磁场作用下采用低温变形工艺 ,可以使晶粒得到进一步的细化·目前的实验中电磁场强度还不够强 ,如果电磁场强度足够大的话 ,可能会出现一系列预想不到的结果·但是 ,可以认为采用低温大变形和电磁场共同作用将会获得超细晶粒组织·2 2 理论分析由上述实验结果可以看出 ,磁场能有效地抑制铁素体晶粒的长大 ,强磁场也与温度 ,压力 ,化学成分等因素一样 ,是影响相变的主要因素由热力学的研究表明铁的奥氏体 /铁素体相变温度Ａｒ3与磁场强度的关系可由如下的方程式说明·磁场下的Ｇｉｂｂｓ自由能表示如下 :Ｇ =Ｕ -ＴＳ+ＰＶ -ＨＭ (1 )式中 ,Ｕ为钢的内能简称为内能 ,Ｔ为绝对温度 ,Ｓ为熵 ,Ｐ为压力 ,Ｈ为磁场强度 ,Ｍ为磁化量·在温度、压力、体积等恒定的条件下 ,对上式微分得到ｄＧ =-ＨｄＭ -ＭｄＨ (2 )由上式可知 ,随着磁场强度的加强 ,Ｇｉｂｂｓ自由能降低·由于奥氏体是非磁性相而铁素体是铁磁性相·强磁场使奥氏体向铁素体转变的自由能发生变化 ,具体地说 :随着磁场强度的加强 ,奥氏体的自由能不变或者只发生微小的降低 ,因为奥氏体是非磁性相不易磁化ｄＭＡ 的值很小 ;而铁素体是铁磁性相容易磁化ｄＭＦ 值较大 ,自由能下降得比较明显 ,因而奥氏体更容易向铁素体转变 ,即提高了Ａｒ3温度 ,促进了相变<7> ·从以上的分析知 :磁场与形变量 ,冷却速度等因素一样可以细化再结晶晶粒·因为磁场改变了奥氏体和铁素体的自由能 ,增大了相变驱动力 (自由能之差 ) ,从而使奥氏体更容易向铁素体转变 ,单位时间内形核的数目多 ,这样单位体积内晶粒的数目也多 ,所以磁场有效地细化了铁素体再结晶的晶粒·其中关键的是奥氏体向铁素体转变时的磁性转变 ,因此磁场应在磁性转变开始前就加上 ,这样一来相变开始不久 ,新相与母相之间的自由能差便开始增大 ,相变驱动力也随之增大 ,从而促进铁素体晶粒细化<7> ·Ｑ2 35钢施加磁场的温度在 850 ,80 0 ,750℃ ,据Ｑ2 35钢的ＣＣＴ曲线知 :此温度应该在其磁性转变温度以上 ,因此磁场对铁素体晶粒的细化起作用·3 结 论(1 )电磁场对塑性变形后的相变过程和组织有较为明显的作用 ,采用电磁场作用下大变形的工艺方法将是细化晶粒、提高力学性能的有效途径之一·(2 )匀强磁场对形变后相变组织的影响主要是由于电磁场对磁性的α相和非磁性的γ相会产生完全不同 磁化作用的效果·电磁场作用下塑性变形组织细化实验研究@邸洪双$东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室!辽宁沈阳110006
@赫冀成$东北大学材料电磁过程国家重点实验室!辽宁沈阳110006
@鲍培玮$东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室!辽宁沈阳110006
@苗雨川$东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室!辽宁沈阳110006
@王国栋$东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室!辽宁沈阳110006电磁场;;
塑性变形;;
低碳钢;;组织细化采用Gleeble 1 50 0热力模拟实验机和自行设计的电磁装置 ,研究了低碳钢在塑性变形时电磁场作用对组织细化的影响 ,并与相同变形条件下无电磁场作用的实验结果进行了对比分析·研究结果表明 ,电磁场对变形后的组织有明显的影响 ,在相同的变形条件下随着磁场强度的增加 ,晶粒细化作用加强·<1>下斗米道夫 ,丸田庆一 ,阿部义男 ,等·强磁场利用による铁钢材料の组织制御
·CAMP ISIJ ,1998,11(6 ) :10 2 5 -10 2 6 ·
<2 >下斗米道夫 ,丸田庆一 ,米花康典· 炭素钢の相变态に及ぼす强磁场の效果 ·CAMP ISIJ ,1998,11(6 ) :12 6 ·
<3>下斗米道夫 ,丸田庆一·磁气力による铁钢材料组织の制御と细化 ·CAMP ISIJ ,1999,12 (6 ) :1116 -1119·
<4>大内千秋·超微细组织の创制と技术课题 ·CAMP ISIJ ,1998,11(6 ) :1
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