摘要
铁基钢铁材料的固态相变过程中伴随着磁性状态（磁性）的转变。强磁场能够将高强度的能量无接触地传递到物质的原子尺度，进而改变原子的排列、匹配和迁移等行为，最终影响材料的微观组织和宏观性能。铁基钢铁材料涉及的相变过程复杂且相变后新相产物丰富。因此，如何切实、科学地描述铁基钢铁材料在高温下的物性参数变化，以及在强磁场作用下铁基钢铁材料固态相变时结构、磁性与稳定性演变的物理机理并施以有效的控制，是揭示铁基钢铁材料磁性能及磁致磁性机理的前沿科学课题。强磁场下钢铁材料固态相变过程中相变机制的研究对于极端环境用关键结构材料的设计与开发提供重要依据。 鉴于此，本文基于强磁场下铁基材料固态相变过程中的结构相变及磁相变展开研究。选取具有不同化学成分的铁基钢铁材料为研究对象，研究成分、温度、磁场对于铁基钢铁材料固态相变、碳化物析出及应用性能的影响。在此基础上，根据析出相特征及析出动力学规律进行第一性原理以及分子动力学等多尺度模拟建模，以此进一步揭示多因素耦合作用下铁基材料的固态相变机制。本文的主要结果与结论如下: (1)强磁场作用下铁素体晶粒沿磁场方向伸长，这主要取决于磁偶极子间的相互作用，同时受界面能和退磁能的磁场能量的影响。为解释强磁场诱导铁素体形貌的热力学机制，在热力学平衡的基础上建立了数学模型并充分考虑强磁场诱导形貌的起源与影响Fe原子磁矩的多种因素之间的内在关系。研究表明:随着总角动量的增加，铁磁性相区逐渐减小，顺磁性相区逐渐增大。强磁场诱导的铁素体晶粒的长宽比与角动量、磁矩和界面能密切相关，其界面能主要决定铁素体形貌。理论计算获得强磁场作用下铁素体晶粒的最佳长宽比与实验数据吻合较好。 (2)强磁场下高温回火后试样钢中产生奥氏体新相。基于实验结果和理论计算进一步揭示其内在机制。首先外磁场的引入导致马氏体基体发生晶格畸变，晶胞参数减小，进而使得八面体间隙中碳原子扩散势垒减小。因此间隙碳原子部分游离基体中，部分参与形成纳米级尺寸的碳化物。纳米碳化物的溶解和Cottrell气团上碳原子的释放为奥氏体的形成提供了“碳源”。此外，Mn的掺杂使顺磁性奥氏体发生磁结构耦合转变（即顺磁性γ-Fe转变为铁磁性γ-FeMn)。因此，强磁场作用下附加磁自由能的存在增强了奥氏体形成的驱动力。 (3)合金碳化物M7C3作为钢中的重要析出相，对析出强化起重要作用。强磁场的施加改变了其析出顺序，诱导合金碳化物M7C3提前析出。基于此，系统地研究了强磁场与温度耦合作用下钢中M7C3型合金碳化物的析出机制。研究结果表明，M7C3的结构单元(13顶点团簇）是由一个9顶点的Bernal多面体与连接在其自由三角面上的四面体和八面体结合而成。与此同时，M7C3内禀磁性主要源于含碳三棱柱中Fe原子的3d轨道电子贡献。磁场增强了磁矩间的交换耦合作用，进而使得居里温度随磁场强度的增加向较高温度迁移。在此基础上，合金碳化物M7C3较大的磁自由能的改变量，进一步揭示了强磁场诱导的磁致磁性对碳化物稳定性的影响。 （4)研究了外磁场的施加对回火试样钢的微观组织和力学行为的影响。结果表明强磁场明显加速了马氏体的回复，这可能是源于磁场下扩散活化能增加的结果。此外，500℃施加强磁场后，合金碳化物形貌由棒状(M7C3）转变为球状(M23C6)，通过多面体协同转变进一步揭示了合金碳化物从M7C3向M23C6的“原位转变”机制。沿原奥氏体晶界分布的合金碳化物和微空隙诱导了中温回火脆性的发生。与此同时，发现强磁场促进了MC碳化物的析出，利用Fe原子置换碳化物中部分金属原子构建无序模型，进而阐述了其析出的内在机制。 (5)相较于传统热处理工艺，强磁场回火热处理后合金碳化物M6C大量析出。基于磁自由能改变量对析出机制进行了分析，发现M6C的磁自由能变化量相比M2C，M3C更大。因此，外磁场是决定M6C析出热力学的重要因素。同时，由于总吉布斯自由能降低，12T强磁场下碳化物M6C的临界半径R*M＜R*减小，进而形核势垒降低，其形核率提高。此外，基于Langer-Schwartz物理模型研究了强磁场对碳化物M6C析出和长大行为的影响。
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