电磁场影响冶金相变机理重大项目

电磁场下金属固态转变界面特性及相长大行为

课题简介

  电磁场具有影响扩散、位错运动和界面能等新效应的发现,为解决固态转变中脆性、组织不均匀等缺陷提供了新途径。本项目将运用同步辐射、中子衍射等手段,并结合理论分析和数值模拟等方法,研究不同磁性合金在固态转变过程中施加电磁场后,相析出及熟化中晶界(相界)结构、位向关系、晶界能以及晶界偏聚变化规律,考察电磁场、应力场、温度场共同作用下合金体系中原子扩散规律;探明在相及晶粒长大过程中施加电磁场时,不同阶段晶内及相周围溶质分布规律;研究不同磁性合金在电磁场下位错结构、类型分布、密度和运动的变化,分析磁致塑性的内在机制;研究电磁场和外应力共同作用下相界迁移和新相长大规律,重点研究热电磁效应和磁致塑性效应的作用规律;阐明电磁场下固态转变组织演化规律,建立电磁场调控固态转变组织演化模型,提出固态转变组织的电磁场调控方法,为解决复杂金属材料固态相变和变形加工中易裂等问题提供途径。


课题负责人:任忠鸣

上海大学,材料科学与工程学院,教授

  省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室主任;国际磁科学学术委员会委员;从事电磁场下冶金和材料制备研究;发表论文近400篇,其中发表在权威学术刊物ActaMaterialia、AppliedPhysical Letters、ScriptaMaterial、MetallurgyandMaterials Transaction A等上的论文35篇;获得专利40余项;重要国际学术会议上发表大会报告或主题/特邀报告30余次;培养全国百篇优秀博士论文1篇,提名论文2篇;获得省部级科技一等奖励等3项。

研究队伍
研究内容

1. 电磁场下固/固界面特性和原子扩散规律

  (1)  电磁场作用下晶界特性变化规律。考察不同磁性体系(铁磁性体系:Fe 基合金及Ni 基合金;非铁磁性体系:Al 基合金及Cu 基合金)在固态转变过程中施加不同属性(交变及稳恒)电磁场(不同施加方向与不同磁感应强度)后,相析出及熟化中晶界(相界)结构和共格关系、位向关系、晶界能以及晶界偏聚变化规律;

  (2)  电磁场下二元体系中原子扩散规律。考察施加不同属性(交变及稳恒)、方向、磁感应强度电磁场对不同属性的二元体系中的体扩散、晶界扩散以及反应扩散的影响规律;

  (3)  电磁场和应力作用下多元体系各元素原子扩散规律。通过在相及晶粒长大过程中施加不同属性(交变及稳恒)、方向、磁感应强度的电磁场,检测不同阶段晶内及相周围溶质原子的分布情况,研究电磁场对各元素扩散的影响。


2. 电磁场下位错运动及磁致塑性规律

  (1)  电磁场下位错运动规律。对不同磁性纯金属(FeNiCuAl)在不同电磁场条件下进行原位拉伸、压缩实验,分析拉伸、压缩前后位错结构、类型分布及位错密度,考察电磁场对位错运动的影响规律

  (2)  电磁场下位错与钉扎相互影响规律。对不同磁性的合金体系(Fe 基、Ni 基、Cu 基、Al 基)过饱和固溶体,在其时效析出后,考察不同电磁场条件下析出相对位错运动钉扎作用的影响规律

  (3)  电磁场下的金属材料塑性变化规律(磁致塑性)。考察不同磁场条件下不同磁性纯金属、合金体系塑性的变化规律,综合电磁场下位错运动及其与钉扎相的相互作用规律,分析磁致塑性的内在机制。


3. 电磁场和外应力共同作用下新相长大行为

  (1)  电磁场和外应力共同作用下相界迁移新相长大规律。考察不同磁场条件 (交变以及稳恒,不同磁感应强度)、不同应力条件以及磁场与应力处于不同位向关系时,不同磁性两相界面的迁移规律

  (2)  热电磁力效应对新相长大行为的影响。在连续冷却转变过程中由于试样内容温度不均匀,将在不同相之间引起热电流,研究不同磁性合金体系中该电流与外加电磁场交互作用对新相界面迁移行为及长大过程的影响;

  (3)  电磁场和外应力共同作用下新相形态演化规律。通过在相长大过程中,施加不同电磁场、应力以及他们不同的配合,观察不同条件下相长大各个阶段的相形态和形貌,研究新相形态及形貌的演化规律。


4. 电磁场下组织演化及调控

  (1)  电磁场下固态相变组织演化规律。通过对不同磁性合金体系固态相变过程中施加不同属性(交变及稳恒)的电磁场,观察相变不同阶段的组织形貌,研究电磁场对固态组织演化规律的影响

  (2)  电磁场下再结晶组织演化规律。考察不同磁性纯金属及合金,在不同应力条件下,电磁场对其再结晶过程中组织演化的影响规律

  (3)  电磁场下沉淀析出相组织演化规律。考察不同磁场条件下,不同属性析出相的分布,观察析出相长大不同阶段的尺寸、形貌,研究电磁场对析出相组织演化的影响规律

  (4)  建立电磁场调控固态转变组织演化模型。综合电磁场对固/固界面特性、原子扩散规律,位错运动的影响规律,考虑电磁场与应力共同作用下的新相长大行为及其组织演化规律,提出固态转变组织演化的电磁场调控方法。


在重大项目中所起的作用

  金属材料的冶金工艺流程分为液/固转变,以及后续的压力加工和热处理过程中的固态转变,总称为冶金相变。冶金技术的核心则是冶金相变的控制。“电磁场下冶金相变机理重大项目”正是针对目前冶金工艺中的共性难点问题,探索近十年来电磁场下材料制备与加工领域的一些新发现的深层科学机制,掌握电磁场下这些新发现对冶金相变的影响规律,最终为解决现在冶金技术中的瓶颈问题提供理论基础。

  压力加工和热处理过程中的固态转变是冶金相变过程中的重要一环,也是金属材料服役前对其进行组织调控的最后一道工序,直接决定着材料的最终使役性能。已有的研究表明,电磁场的施加可以影响该过程的诸多关键环节,例如磁场影响固态相变温度,改变原子扩散速率,增加金属材料塑性等。然而至今尚未有综合考虑电磁场、应力场和温度场(三场)共同作用下的固态转变。为取得对三场作用下固态转变过程的深入了解,进而为电磁控制的实际应用提供理论基础。

  本课题主要针对固态转变过程中的关键环节开展系统的研究。将在总项目拟解决的三个关键科学问题之一“电磁场下冶金相变中生长动力学”研究中起关键作用。