强磁场作用下碳在纯铁中的扩散行为及其机理研究

摘要

本论文以实验为基础，选择纯铁(99.99％)作为实验材料，排除了合金元素及杂质元素的影响，分别实施不同工艺条件的强磁场渗碳处理。对处理后的样品分别进行XRD分析、金相和SEM观察，通过与非磁场处理样品的显微组织进行对比，从微观层次全面系统地研究了磁场强度、磁场施加方向以及磁场梯度等影响因素对碳在纯铁中的扩散行为的影响，同时对强磁场的作用机理进行了理论解析。
　　将纯铁试样分别在930℃和750℃条件下进行不同磁场强度的渗碳实验。结果表明，在这两个温度范围内，不论是磁场方向平行于渗碳方向，还是垂直于渗碳方向，磁场退火样品的碳的平均扩散距离都小于非磁场退火样品。对磁场退火样品来说，碳的扩散距离随着磁场强度的增加逐渐减小，尤其是当磁场强度大于1T后，随着磁场强度的增强，碳的扩散距离明显减小，这表明磁场退火可以显著抑制碳在纯铁中的扩散行为。这是由于磁致伸缩作用使得晶格发生畸变，导致碳的扩散系数降低。并且施加强磁场降低了居里温度以下的铁磁性的α-Fe的自扩散系数，导致碳原子扩散时所需要的扩散激活能增加。
　　将纯铁试样分别在930℃、850℃和750℃条件下进行不同磁场施加方向的渗碳实验。实验结果一致表明:变换磁场方向和渗碳方向之间夹角，渗碳层厚度并没有发生明显变化，表明磁场方向对碳在纯铁中的扩散行为影响不明显。这是由于在多晶体中晶粒取向的随意性，使得磁致伸缩作用下的易扩散方向发生变化不能保证碳原子沿着某一个确定方向扩散。
　　将纯铁试样分别在930℃和850℃条件下进行磁场梯度为-282T2/m的渗碳实验。结果表明，结果表明，在这两个温度范围内，梯度磁场渗碳处理的样品中碳的平均扩散距离比稳恒磁场渗碳处理的样品都大，表明在负的磁场梯度下，磁场促进了碳在纯铁中的扩散行为。此现象归因于在顺磁性的间隙固溶体中的碳原子在负的梯度磁场作用下受到磁化力作用导致沿着这个方向的碳扩散通量增大。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 强磁场对铁系合金扩散型固态相变的影响

1．1．1 强磁场对奥氏体-铁素体相平衡的影响

1．1．2 强磁场对铁素体转变的影响

1．1．3 强磁场对珠光体转变的影响

1．2 强磁场对金属材料中的合金元素扩散的影响

1．3 钢铁材料的渗碳工艺

1．4 本文的研究目的和主要研究内容

第2章 样品的制备和实验方法

2．1 实验材料与制备

2．2 实验装置与工艺

2．3 实验分析与测试方法

2．3．1 X-射线衍射(XRD)

2．3．2 显微组织观察

第3章 磁场强度对碳在纯铁中扩散行为的影响

3．1 引言

3．2 实验材料与方法

3．3 实验结果分析

3．3．1 强磁场对渗碳样品表层结构相组成的影响

3．3．2 渗碳样品沿横截剖面的组织表征

3．4 分析和讨论

3．5 本章小结

第4章 磁场施加方向对碳在纯铁中扩散行为的影响

4．1 引言

4．2 实验材料与方法

4．3 实验结果分析

4．3．1 强磁场对渗碳样品表层结构相组成的影响

4．3．2 渗碳样品沿横截剖面的组织表征

4．4 分析和讨论

4．5 本章小结

第5章 梯度磁场对碳在纯铁中扩散行为的影响

5．1 引言

5．2 实验材料与方法

5．3 实验结果分析

5．4 分析与讨论

5．5 本章小结

第6章 结论

参考文献

致谢