強(qiáng)磁場條件下耐熱鋼中合金碳化物的析出行為.pdf

1、核聚變反應(yīng)環(huán)形磁約束離子體用耐熱鋼,其服役環(huán)境為高溫和強(qiáng)磁場;合金碳化物的析出與演變直接影響核電、火電用耐熱鋼的高溫蠕變性能。因此,研究強(qiáng)磁場下耐熱鋼中合金碳化物的析出行為具有重要的科學(xué)價(jià)值與工程意義。
　　 本文系統(tǒng)研究了12 T強(qiáng)磁場下Fe-C-Mo,2.25Cr-Mo兩種低合金鋼中合金碳化物析出的特征及規(guī)律。兩種鋼分別在真空強(qiáng)磁場熱處理爐中進(jìn)行不同溫度不同時(shí)間的等溫、回火處理,利用光學(xué)顯微鏡、透射電子顯微鏡等分析儀器對(duì)碳化

2、物析出類型、大小、分布等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察和分析。理論方面,通過第一性原理計(jì)算各種碳化物的磁性參數(shù),利用魏氏(Weiss)分子理論研究強(qiáng)磁場對(duì)不同回火溫度下碳化物磁性的影響規(guī)律。主要研究結(jié)果概括如下:
　　 (1)對(duì)17e-C-Mo合金“港灣溫度”(Th)以下進(jìn)行奧氏體.鐵素體等溫轉(zhuǎn)變、對(duì)從退化鐵素體(貝氏體)中析出的合金碳化物進(jìn)行觀察和分析,發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場促進(jìn)了M6C碳化物的析出。利用金萃取法對(duì)M6C碳化物置換型溶質(zhì)原子的濃度進(jìn)行研究,

3、發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁場明顯提高M(jìn)6C碳化物Fe溶質(zhì)原子的濃度。運(yùn)用Wien2k軟件計(jì)算碳化物中各原子的磁矩,解釋了強(qiáng)磁場對(duì)碳化物析出以及碳化物中Fe和Mo原子磁自由能的變化規(guī)律,計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。
　　 (2)強(qiáng)磁場對(duì)Fe-C-Mo合金中從退化鐵素體中析出的Fe3Mo3C型碳化物的形貌無明顯影響。通過能量最低原理計(jì)算強(qiáng)磁場對(duì)碳化物析出形貌的影響,計(jì)算結(jié)果表明M6C的長寬比取值約為1:1,說明了實(shí)驗(yàn)中觀察到Fe3Mo3C型析出物為球

4、形的原因。
　　 (3)強(qiáng)磁場促進(jìn)了Fe-C-Mo合金中馬氏體低溫回火過渡性碳化物x-Fe5C2(單斜晶系)的析出。計(jì)算發(fā)現(xiàn)x-Fe5C2具有較高的磁化強(qiáng)度,對(duì)應(yīng)于較高的磁自由能改變量。低溫回火時(shí)合金的硬度將幾乎不受影響,這是由丁碳化物析出導(dǎo)致的硬度增加被基體中因碳原子損失而導(dǎo)致的硬度減小所補(bǔ)償。
　　 (4)Fe-C-Mo合金馬氏體中溫530℃回火時(shí),強(qiáng)磁場明顯促進(jìn)M6C(立方晶系)碳化物的析出。強(qiáng)磁場條件下,M6C:

5、磁自由能的改變量最大,導(dǎo)致M6C提前析出。
　　 (5)Fe-C-Mo馬氏體中溫530℃中,金萃取碳化物能譜結(jié)果顯示:強(qiáng)磁場對(duì)M2C,M3C碳化物中Fe、Mo置換型溶質(zhì)原子濃度的影響很小,但是磁場明顯促進(jìn)了回火碳化物M6C中Fe元素含量的增加,降低了Mo元素的含量。第一性原理計(jì)算M2C、M3C及M6C碳化物中Fe原子在不同Wyckoff位置的磁矩,推導(dǎo)出強(qiáng)磁場對(duì)Fe、Mo元素磁自由能的改變量,半定量地說明磁場對(duì)碳化物M2C、M3

6、C與M6C中置換型溶質(zhì)原子的影響規(guī)律。
　　 (6)2.25Cr-Mo合金在強(qiáng)磁場馬氏體低、中溫回火時(shí),強(qiáng)磁場分別促進(jìn)了M7C3、M23C6碳化物的析出,但是高溫時(shí)磁場對(duì)合金碳化物的析出幾乎沒有影響。金萃取碳化物能譜結(jié)果顯示,磁場促使M7C3和M23C6中Fe原子含量增加。通過魏氏分子理論研究強(qiáng)磁場M7C3和M23C6的磁化強(qiáng)度隨著溫度的變化規(guī)律,由Fe-Cr合金中Slater-Pauling曲線,得到碳化物磁化強(qiáng)度隨著Fe元素

7、含量的增加而增大的變化規(guī)律,計(jì)算出碳化物M7C3和M23C6的磁自由能的改變量,從而揭示了上述三個(gè)階段碳化物的析出規(guī)律。因此,采用磁場熱處理工藝可以促進(jìn)某些特定合金碳化物提前析出,為耐熱鋼的設(shè)計(jì)與提高服役性能提供了一種新的思路。
　　 (7)在Fe-C-Mo和2.25Cr-Mo合金中,高溫強(qiáng)磁場熱處理時(shí),強(qiáng)磁場對(duì)各種碳化物的形貌、形核位置、析出數(shù)量、析出順序、溶質(zhì)原子濃度等未見明顯影響。這是因?yàn)楦邷貢r(shí)合金碳化物表現(xiàn)為順磁性,強(qiáng)磁