形变诱导铁素体相变热力学机制的探讨分析

　第43卷　第10期　2008年10月

钢铁

　Vol. 43, No. 10

October 　2008

Iron and Steel

形变诱导铁素体相变热力学机制的探讨分析

王　倩1,2, 　杨忠民2, 　吴春京1

(1. 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京100083; 　2. 钢铁研究总院结构材料研究所, 北京100081)

摘　要:从热力学角度, 对热模拟变形是否会改变顺磁性奥氏体的磁性自由能, 为相变发生提供一定的驱动力这个问题进行了模拟研究。试验材料选用室温组织为顺磁性奥氏体的Fe 2Ni 2Cr 合金, 利用X 射线衍射仪和振动样品磁强计, 测量了不同变形条件下样品的X 射线衍射谱线和磁化强度, 结果表明:一定条件的变形可以改变顺磁性奥氏体的磁化强度, 且随着变形量的增加, 磁化强度逐渐减小, 磁性自由能随之降低; 通过分析磁性自由能降低的原因, 从磁性自由能角度, 提出了形变诱导铁素体相变的热力学模型修正因子。α相变关键词:形变诱导铁素体相变; 热力学; γ→

中图分类号:T G14213　　文献标识码:A 　　文章编号:04492749X (2008) 1020070204

Analysis of Thermodynamic Mechanism of

Deform ation Induced Ferrite T ransform ation

WAN G Qian 1, 2, 　YAN G Zhong 22, 1

(1. School of Materials Science and Engineering , University of 100083, China ;

2. Institute for Structure Materials , Central , 100081, China ) Abstract :The issue will change the magnetic free energy of paramag 2netic austenite change was studied with thermodynamics principle. The Fe 2Ni 2Cr alloy of at room 2temperature was selected. The samples deformed under different conditions were studied by X 2ray diff raction and vibrating specimen magnetometer (VSM ) and the results showed that a certain deformation may change the magnetization of paramagnetic austenite and the magnetization and magnetic f ree energy reduce gradually with the increase of the strain , The modifying factor of thermodynamic model of DIFT was prope 2sed with consideration of magnetic f ree energy by analyzing the reason of magnetic free energy drop.

αphase change K ey w ords :deformation induced ferrite transformation (DIFT ) ; thermodynamics ; γ→

　　20世纪90年代, Yada 等通过高温原位X 射线

分析获得了形变诱导铁素体相变(即DIF T ) 存在的直接证据[1]。同时, 中国也对DIF T 展开了大量的研究[2,3], 研究认为变形使位错密度急剧升高, 形变储能增加, 可能是导致DIF T 的根本原因; 一些研究者[3,4]也建立了以位错密度计算形变储能的热力学模型, 但得到的结果仍不能满足相变发生所需能量。在奥氏体/铁素体相变的热力学分析上, 有文献[5]认为由于绝对零度时奥氏体基础磁焓值过大, 导致在A 3点仍高于铁素体而使相变发生; 也有人认为是铁磁转变使铁素体磁熵大幅度降低所致[6]。不论磁熵还是磁焓, 公认的是磁性自由能在相变过程中起到了重要作用。DIF T 时变形作用在顺磁性奥氏体相上, 而变形对顺磁性材料磁性影响的研究甚少, 因此有必要探讨变形对顺磁性奥氏体磁性的影响。

笔者采用室温组织为单一顺磁性奥氏体的Fe 2

Ni 2Cr 合金, 通过对其不同变形后磁化强度的研究

和变形、磁性与铁素体相变三者关系的分析, 从磁性自由能的角度, 提出DIF T 热力学模型应增加变形对材料磁性自由能影响因子的观点。

1　热模拟变形后顺磁性奥氏体的磁性

研究

1. 1　合金成分及试验方法

合金经真空高频感应炉炼成铸锭, 其化学成分(质量分数

, %) 为:Ni36～40,Cr 16～17,Si 0. 036, C 0. 007,Mn 0. 014, P 0. 0066,S 0. 004。试料经锻造及锻后1100℃、保温2h 的固溶处理后, 机加工成

基金项目“:863”计划资助项目(Z2006AA03Z518) 作者简介:王　倩(19792) , 女; 　　E 2m ail :wenruo_@163. com ; 　　修订日期:2008203227

第10期王　倩等:形变诱导铁素体相变热力学机制的探讨分析

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样品的磁化强度。

1. 2　试验结果

X 射线衍射试验结果和Model 4HF 型振动样品磁强计测量的居里温度见图1、2, 由此确定了该合金变形前后室温组织均为单一的顺磁性奥氏体。不同变形条件下样品的磁化强度见图3。

试验结果表明, 因为材料在室温时为顺磁性,

故

ε图3　室温、 为40s -1、直流磁场下样品

的磁化强度随变形量的变化曲线

Fig. 3　M s of specimens room temperature ch anged

with strain rate conditions

单一样品的磁化强度随磁场强度的增加线性增加;

而变形量不同的样品呈现出线性增加的斜率不同。图3为固定磁场下(8000Gs ) , 不同变形量的试样的磁化强度, 结果表明:有变形样品的磁化强度比无变形样品的磁化强度小, 且随着变形量的增加磁化强度逐渐减小, 这意味着磁矩排列更加混乱, 磁熵增加, 磁性自由能随之降低。由此推理, 钢中顺磁态奥氏体在变形条件下磁性自由能也会发生改变, 从而可能为DIF T 发生提供一部分驱动力。因此有必要分析变形对提高奥氏体的磁性自由能的影响机制。

2　形变诱导铁素体相变热力学模型的

影响因子分析

2. 1　变形与磁性自由能的关系

当材料由铁磁性变为顺磁性时, 磁有序排列和晶格结构的关系(以面心立方晶格为例) 见图4。图中黑球、白球代表不同位置的原子, 箭头代表原子磁矩矢量, 圆环(图4(c ) ) 代表磁团簇

。

(a ) 面心立方晶格结构和自旋磁矩排列; (b ) 铁磁态时磁畴内的自旋磁矩排列; (c ) 顺磁态时磁畴范围内的自旋磁矩排列

图4　面心立方金属磁畴范围内的自旋排列示意图

Fig. 4　Spin order of fcc metal in m agnetic dom ain

　　当材料为顺磁态时, 在磁畴范围内磁矩呈混乱

排列, 但是因电子自旋涨落作用, 在局部区域仍具有自发的磁矩有序排列(图4(c ) ) , 这种电子自旋涨落, 通常用局域性振幅的均方值和空间关联或短程

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钢　铁第43卷

有序来表征。对于这种顺磁态而言, 在固定温度下,

塑性变形对电子自旋的局域性振幅均方值影响是非常小的, 因此主要是通过对磁有序度影响而使磁性自由能发生变化。

塑性变形可以使位错密度升高, 引起内能增加; 同时变形也可以产生宏观或微观织构取向, 使晶粒晶格的位向在整体或局部有序化, 而使原子间的电子轨道运动受到限制, 进而限制了电子自旋涨落的空间关联, 使磁有序度增加, 磁熵降低, 磁性自由能升高; 但从热力学角度, 当磁矩沿难磁化方向排列时能量最高, 面心立方结构的难磁化轴为, 因此只有在方向上形成织构时, 磁矩排列才使奥氏体处于高能状态。由此在变形使位错密度升高导致奥氏体内能增加和变形形成织构使磁有序度增加而引起磁性自由能升高的双重作用下, 就有可能发生铁素体的形核。2. 2　变形织构和相变的关系

不仅变形会产生织构, 2即相变织构。γ在奥氏体的(111) , 而它按K 2S 的取向关系相变后便有倾向形成//压缩轴的铁素体, 这正和杨平等人研究的形变诱导出的铁素体织构取向一致[9]。

因此, 根据磁性、织构和相变三者的关系, 可以发现:发生形变诱导铁素体相变时, 并不是所有的织构取向都有利于变形奥氏体向铁素体相变, 具有{110}取向的高斯织构或其含量与相变有着必然的内在联系。因此对变形条件下的顺磁态奥氏体进行了以下假设条件的探讨。2. 3　假设条件

奥氏体向铁素体转变过程中, 磁性自由能起到重要作用。而磁矩的排列状态使材料具有不同的能量状态, 即磁性自由能的大小与磁有序度有关。在T c 点以上顺磁态α2Fe 由于其处于磁比热拖尾区, 是仍具有磁团簇的体心立方铁, 那么由它转变来的顺磁态奥氏体, 笔者做如下假设:

(1) 假设无外力场时的顺磁奥氏体内存在着局部的磁矩短程有序排列, 即磁团簇, 其有序度受温度

影响, 随着温度的升高而减小。

(2) 假设无外力场的γ→α相变是在温度或过冷度作用的基础上, 局部或宏观磁有序度达到一个临界值时才发生, 即磁有序度只有到了一定数量程度才会明显影响奥氏体自由能。

(3) 假设变形在局部或宏观上形成了有利于铁素体相变的磁性织构取向, 并对电子自旋涨落的空间关联有所限制, 从而使局部或宏观磁有序度增大, 磁性自由能增加。

(4) 层错能和变形机制随变形条件(变形温度、变形速率、变形量) 而不同, 由此产生的织构或含量也不同。因此进一步假设是高斯织构取向的含量达到一定值时, 才可使奥氏体的磁有序度或磁性自由能增加到可以发生相变的临界值。

3通过第一节的试验研究发现:特定条件的变形可以改变顺磁态奥氏体的磁性自由能。同时一些研究者也指出了磁场作用下的铁素体相变驱动力不仅包括过冷度[10], 还有母相顺磁态奥氏体高场磁化率的变化引起的磁性自由能改变。因此, 在上面的假设模型基础上, 将形变诱导铁素体相变的自由能变化表示为:

αγ→αγ→αγ→α→

ΔG γ=-V (ΔG V -ΔG E ) +ΔG S -ΔG d T

(1)

ΔG d =ΔG d ρG d ,mag , +Δ

(2)

式中, ΔG d 为变形引起的奥氏体总自由能变化, 即形变储能; ΔG d , ρ为位错密度引起的奥氏体自由能变化, 即畸变自由能; ΔG d ,mag 为变形织构引起的奥氏体自由能变化, 即磁性自由能。

因变形具有提高位错密度和形成织构的两大特点, 所以形变导致奥氏体自由能的变化, 可能发生两种情况, 一种是变形使材料体系位错密度升高, 增加体系内能U , 同时也使原子混乱度增加, 有序度降低, 系统熵S 增加, 因此最终升高一定程度的奥氏体自由能G (G =U -T S ) , 这个能量可能不足以导致诱导铁素体相变的发生。另一种是变形导致内能升高, 同时如果形成有利织构使某种有序度增加

, 熵降低, 就会大幅度提高奥氏体自由能, 从而可能有利于诱导相变的发生。那么根据式(1) 和(2) , 对DIF T 的合理解释是形变使位错密度升高内能增

加, 同时导致有利于磁有序度增加局部特定方向织

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构产生, 磁熵降低, 促使奥氏体自由能大幅度增加,

进一步提高向铁素体转变的驱动力。

[2]　董　瀚, 孙新军, 刘清友, 等. 变形诱导铁素体相变2现象与理

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[9], , , 4　试验结果的分析与讨论

在具有磁团簇的顺磁性区时, 通过塑性变形形成有利于相变的磁性织构, 会增加材料的磁化强度,

提高其磁性自由能。而当温度过高时, 磁团簇逐渐消失, 变形即使形成了有利于相变的磁性织构取向, 但相对于强烈热扰动导致的磁矩混乱排列的作用来说织构的作用就可忽略了, 反而由于变形引入大量缺陷、内应力等, 阻碍了磁化, 使磁矩排列更加混乱, 从而降低了磁化强度。本试验的结果可能正是因此原因, 导致了磁化强度减小, 磁性自由能降低。

5　结论

(1) 变形可以改变顺磁性奥氏体的磁化强度,

进而对奥氏体磁性自由能产生影响。

(2) 参考文献:

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(上接第61页)

(3) 随着累计应变的增加, 平均铁素体晶粒直

[J].轧钢, 1999, (4) :49. (TAN G Di , CAI Qing 2wu , MI Zhen 2li. The Current Situation and New Development of Thin Slab Continuous Casting and Continuous Rolling [J ].Steel Rolling , 1999, (4) :49.)

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径呈减小趋势。最后一道次轧制后心部铁素体晶粒

的平均直径大约5μm 。

(4) F TSR 轧制含Nb 钢B G510L 并未出现明显的混晶组织, 表明其能够轧制出更高附加值的产品。

参考文献:

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