Стимуляция бейнитного сценария превращения внешним магнитным полем

Введение. Изменение свойств сталей с бейнитной структурой имеет практический смысл, т. к. при бейнитном превращении под воздействием магнитного поля возможно улучшение пластичности стали при сохранении или повышении ее прочностных показателей. Научные изыскания в этой сфере касались вопросов влияния магнитного поля на термодинамику и смену сценария фазового превращения. Однако в открытых источниках нет детального описания воздействия магнитного поля на структуру и свойства продуктов промежуточного бейнитного превращения. Цель работы — исследование особенности влияния внешнего магнитного поля на сценарий и кинетику фазового превращения стали.

Материалы и методы. Исследование проводилось на образцах из стали 65Г. Их химический состав контролировали при помощи оптико-эмиссионного спектрометра Magellan Q8. Термическую обработку (резистивный нагрев) проводили в установке для высокотемпературных исследований «ИМАШ 20–75». Температура нагрева — около 1000 °С, время выдержки — 10 минут. Образец охлаждали при помощи водоохлаждаемых электроконтактов. Внешнее магнитное поле напряженностью 400 кА/м и 800 кА/м создавалось электромагнитом, интегрированным в вакуумную камеру установки.

Результаты исследования. Эксперименты подтвердили возможность смены сценария превращения с перлитного на бейнитный при воздействии внешним магнитным полем до 1 МА/м. Получены изображения микроструктуры и поверхностного рельефа образцов после охлаждения в магнитном поле. Проанализированы кинетические изменения и зависимости объемных скоростей превращения от времени изотермической выдержки. Установлено, что действие постоянного магнитного поля напряженностью 1,6 МА/м увеличивает объемную скорость превращения в 1,808 раза (для стали 65Г) и в 1,687 раза (для стали 45Х).

Обсуждение и заключение. Зафиксированы результаты наблюдений за изменением поверхностного рельефа при охлаждении без магнитного поля и в магнитных полях различной напряженности. Это позволило сделать вывод о стимуляции внешним магнитным полем бейнитного превращения вместо исходного перлитного. Микроструктурные изменения объясняются влиянием поля на магнитное состояние исходной фазы.

1. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В. Магнитная гетерогенность аустенита и превращения в сталях. Москва: Ай Пи Ар Медиа; 2022. 190 с. https://doi.org/10.23682/117033

2. Счастливцев В.М., Калетина Ю.В., Фокина Е.А. Мартенситное превращение в магнитном поле. Екатеринбург: Уральское отделение РАН; 2007. 322 с. URL: https://www.imp.uran.ru/?q=ru/content/martensitnoe-prevrashchenie-v-magnitnom-pole (дата обращения: 28.12.2023).

3. Kaletina Yu.V. Phase transformations in steels and alloys in magnetic field. Metal Science and Heat Treatment. 2008;50:413–421. https://doi.org/10.1007/s11041-009-9085-0

4. Schastlivtsev V.M., Kaletina Yu.V., Fokina E.A., Mirzaev D.A. Effect of external actions and a magnetic field on martensitic transformation in steels and alloys. Metal Science and Heat Treatment. 2016;58:247–253. https://doi.org/10.1007/s11041-016-9997-4

5. Garcin T. Thermodynamic and kinetic effects of static magnetic field on phase transformations in low alloy steels. Université Joseph Fourier Grenoble I; 2009. 224 p. https://theses.hal.science/tel-00519996/

6. Feng Wang, Dongsheng Qian, Lin Hua, Huajie Mao, Lechun Xie, Xinda Song, et al. Effect of high magnetic field on the microstructure evolution and mechanical properties of M50 bearing steel during tempering. Materials Science and Engineering: A. 2020;771:138623. https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138623

7. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В., Нефедов Д.В. Влияние магнитного поля на кинетику изотермического распада аустенита в области температур промежуточного превращения. Известия Волгоградского государственного технического университета. 2022;10(269):83–88. https://doi.org/10.35211/1990-5297-2022-10-269-83-88

8. Spooner S., Averbach B .L. Spin correlations in iron. Physical Review. 1966;142(2):291–299. https://doi.org/10.1103/PhysRev.142.291

9. Razumov I.K., Boukhvalov D.W., Petrik M.V., Urtsev V.N., Shmakov A.V., Katsnelson M.I., et al. Role of magnetic degrees of freedom in a scenario of phase transformations in steel. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics. 2014;90(9):094101. http://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.094101

10. Razumov I.K., Gornostyrev Yu.N., Katsnelson M.I. Effect of magnetism on kinetics of γ α transformation and pattern formation in iron. Journal of Physics: Condensed Matter. 2013;25(13):135401. http://doi.org/10.1088/09538984/25/13/135401

11. Пустовойт В.Н., Долгачев Ю.В., Нефедов Д.В. Методика исследования фазовых превращений под действием постоянного магнитного поля на установке для высокотемпературной металлографии. В: Труды 3 й Междунар. науч. практ. конф. памяти академика А.А. Байкова “Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов”. Курск: Юго Западный государственный университет; 2022. С. 125–129.

12. Mehrer H. Diffusion in Solids: Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion Controlled Processes. Berlin: Springer Science & Business Media; 2007. 654 p. URL: https://books.google.ru/books?id=IUZVffQLFKQC&printsec=frontcover&hl=ru#v=onepage&q&f=false

13. Александров Л.Н., Любов Б.Я. Теоретический анализ кинетики распада пересыщенных твердых растворов. Успехи физических наук. 1961;75(9):117–150. URL: https://ufn.ru/ufn61/ufn61_9/Russian/r619d.pdf (дата обращения: 28.12.2023).

14. Кикоин И.К. (ред.) Таблицы физических величин. Справочник. Москва: Атомиздат; 1976. 1005 с.

15. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращения в железе и стали. Москва: Наука; 1977. 236 с.

16. Колмогоров А.Н. Избранные труды: в 6 т. Т. 2. Теория вероятностей и математическая статистика. А.Н. Ширяев (ред.). Москва: Наука; 2005. 581 с.

17. Kaufman L., Cohen M. Thermodynamics and kinetics of martensitic transformations. Progress in Metal Physics. 1958;7:165–246. https://doi.org/10.1016/0502-8205(58)90005-4