隨著“材料電磁過(guò)程”的提出和現(xiàn)代電磁技術(shù)的發(fā)展，磁場(chǎng)被廣泛應(yīng)用于金屬固態(tài)相變中。磁場(chǎng)的抑制和突出作用可以使原來(lái)復(fù)雜甚至混亂的過(guò)程變得較為簡(jiǎn)單，易于直接了解物質(zhì)本性和科學(xué)規(guī)律，磁場(chǎng)作用的無(wú)接觸性，避免了對(duì)金屬材料的污染。目前，磁場(chǎng)對(duì)金屬固態(tài)相變的影響受到越來(lái)越多的科研工作者的重視。

相變過(guò)程一般受相變熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)控制。在金屬固態(tài)相變中施加磁場(chǎng)，由于各相之間磁各向異性磁化率的不同，影響了吉布斯自由能的大小，從而影響各相穩(wěn)定性；也會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)下各相受力不同，影響形核、晶粒長(zhǎng)大以及晶粒取向，改善組織排列。所以，磁場(chǎng)對(duì)改善金屬的組織結(jié)構(gòu)，提高材料的性能起到了重要作用。

1.磁場(chǎng)對(duì)鐵素體相變的影響

在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，磁場(chǎng)的作用可提高鐵原子的始態(tài)自由能，對(duì)相變過(guò)程起促進(jìn)作用。在鐵基合金中，磁化作用和相變點(diǎn)會(huì)隨外加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大，但會(huì)使鐵素體相的自由能降低，從而使純鐵和鐵合金中鐵素體相穩(wěn)定存在。磁場(chǎng)促進(jìn)鐵素體形核和長(zhǎng)大，使鐵素體百分含量增加，但磁場(chǎng)對(duì)鐵素體形核率的影響比對(duì)晶粒長(zhǎng)大速度的影響要大得多。在外加磁場(chǎng)條件下，磁場(chǎng)引起了鐵原子d層電子的有序化，提高了電子躍遷的幾率，這樣，使金屬中自由電子數(shù)量增加，從而加快了傳導(dǎo)傳熱。但是，外加磁場(chǎng)帶來(lái)的小幅度冷卻速度的變化不會(huì)對(duì)鐵素體相變點(diǎn)產(chǎn)生大的影響，但會(huì)阻礙鐵素體晶粒的長(zhǎng)大，有效的細(xì)化晶粒。此外，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)鐵素體晶粒取向產(chǎn)生影響。外加磁場(chǎng)會(huì)使鐵素體晶粒沿外加磁場(chǎng)方向伸長(zhǎng)。由于鐵素體的長(zhǎng)大還受鐵素體與奧氏體界面的影響，鐵素體晶核往往在奧氏體的三叉晶界處形成，由于鐵素體易于沿晶界擴(kuò)散，而使鐵素體晶核沿奧氏體晶界方向快速生長(zhǎng)，而與磁場(chǎng)方向成一定角度。在低碳鋼發(fā)生奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)化時(shí)，穩(wěn)恒磁場(chǎng)可明顯提高鐵素體的體積分?jǐn)?shù)，并能促進(jìn)鐵素體形核，使鐵素體晶粒細(xì)化和均勻化?；趭W氏體與鐵素體不同的磁導(dǎo)率，磁場(chǎng)可使相變后的鐵素體和珠光體呈鏈狀。磁場(chǎng)通過(guò)增加滲碳體/鐵素體界面能和磁致伸縮應(yīng)變能有效阻止了滲碳體沿馬氏體板塊邊緣和孿晶間界的定向生長(zhǎng)可以明顯阻止了基體中游離畸變區(qū)的形成和生長(zhǎng)。

2.磁場(chǎng)對(duì)馬氏體相變的影響

與無(wú)磁場(chǎng)的普通淬火相比，磁場(chǎng)淬火時(shí)馬氏體的自由能曲線(xiàn)降低了Em(單位馬氏體的磁勢(shì)能)，從而增加了相變溫度和平衡相變點(diǎn)間的溫度差，對(duì)形核壁壘產(chǎn)生影響，使馬氏體的臨界形核功減小，形核率增加，使馬氏體組織細(xì)化，且隨著磁場(chǎng)的增加會(huì)更加顯著。此外，金屬在外加磁場(chǎng)的作用下，由順磁性的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁性的馬氏體時(shí)，金屬的晶格在不同晶向上原子間距變化不同，引起晶格畸變，在組織內(nèi)產(chǎn)生大量位錯(cuò)胞，抑制馬氏體的生長(zhǎng)，使馬氏體細(xì)化，改善了強(qiáng)韌性。同時(shí)，馬氏體相變溫度Ms隨之提高。Ms的提高延長(zhǎng)了馬氏體在較高溫度下的停留時(shí)間，加之磁場(chǎng)作用下水冷卻能力的下降，都促進(jìn)了馬氏體的自回火。

3.磁場(chǎng)對(duì)貝氏體、珠光體相變的影響

目前，關(guān)于磁場(chǎng)對(duì)貝氏體、珠光體相變影響的研究還很少。2004年，有學(xué)者對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)下貝氏體相變做了初步研究發(fā)現(xiàn)，外加強(qiáng)磁場(chǎng)的作用使貝氏體和珠光體轉(zhuǎn)變后體積分?jǐn)?shù)增大，相變開(kāi)始溫度提高。即使是弱磁場(chǎng)也可縮短相變?cè)杏冢鄬?duì)延長(zhǎng)相變時(shí)間，增加珠光體轉(zhuǎn)變量，特別是在珠光體相變初期轉(zhuǎn)變量最大，之后轉(zhuǎn)變量在較寬的等溫時(shí)間內(nèi)逐漸增加；磁場(chǎng)對(duì)相變驅(qū)動(dòng)力的貢獻(xiàn)受到磁場(chǎng)作用時(shí)間、磁場(chǎng)強(qiáng)度、合金成分、處理?xiàng)l件等多重因素的影響。進(jìn)一步研究表明，磁場(chǎng)使貝氏體相變開(kāi)始溫度提高最多，所以磁場(chǎng)對(duì)貝氏體相變有更大的驅(qū)動(dòng)力。磁場(chǎng)會(huì)使珠光體晶粒內(nèi)部的滲碳體片層隨磁通密度的增加趨向于平行排列。但是，10T的強(qiáng)磁場(chǎng)也不能使貝氏體像鐵素體那樣沿磁場(chǎng)方向生長(zhǎng)，更強(qiáng)的磁場(chǎng)是不是可以實(shí)現(xiàn)貝氏體的定向生長(zhǎng)還有待進(jìn)一步的研究。磁場(chǎng)產(chǎn)生的晶粒細(xì)化作用提高了組織的均勻度。

4.磁場(chǎng)對(duì)金屬材料性能的影響

交變磁場(chǎng)處理可降低殘余應(yīng)力。有些金屬(如鋁)在交變磁場(chǎng)中存在著磁致伸縮導(dǎo)致的周期性振動(dòng)過(guò)程。宏觀上表現(xiàn)為磁致伸縮振蕩，而本質(zhì)上是疇壁移動(dòng)和磁化矢量轉(zhuǎn)動(dòng)的周期性過(guò)程。交變磁場(chǎng)可引起磁致振動(dòng)與局部分布不均勻應(yīng)力相互作用，使由于塑性變形引起的組織纏結(jié)均勻化，從而引起應(yīng)力釋放。交變磁場(chǎng)作用下，磁振動(dòng)和微區(qū)的非均勻應(yīng)力作用導(dǎo)致的非彈性形變積累使金屬內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力松弛過(guò)程。

金屬材料經(jīng)磁場(chǎng)淬火處理后，由于磁場(chǎng)加快了奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，馬氏體量增加，因此提高了其強(qiáng)度。同時(shí)，磁場(chǎng)的作用會(huì)減弱固溶強(qiáng)化作用，從而使材料的塑性和韌性提高。磁場(chǎng)細(xì)化晶粒的作用也提高了韌性和塑性。另外，磁場(chǎng)作用下電導(dǎo)率的差異會(huì)導(dǎo)致溶質(zhì)元素和基體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使溶質(zhì)分布更加均勻，進(jìn)而提高材料的綜合力學(xué)性能。

4Cr13鋼、65Mn鋼、60Si2Mn鋼的磁場(chǎng)深冷處理研究發(fā)現(xiàn)，磁場(chǎng)明顯提高鋼的強(qiáng)、硬度的同時(shí)，塑性、韌性并不隨強(qiáng)度的升高而下降，反而明顯提高，表現(xiàn)出明顯的強(qiáng)韌化效果。磁場(chǎng)對(duì)臨界區(qū)雙相鋼組織及性能的影響也是如此。磁場(chǎng)可作為改善冷塑性變形后金屬材料力學(xué)性能的有效方法。

不同組織之間以及金屬表面不同部位之間電極電位的不同，會(huì)使金屬會(huì)因微電池作用受到腐蝕。外加磁場(chǎng)使殘余奧氏體基本轉(zhuǎn)變，因此也使兩相間的電位差不存在了，抑制了微電池腐蝕。對(duì)于碳鋼，磁場(chǎng)淬火過(guò)程中由于馬氏體的碎化，其表面電極電位較高的細(xì)小碳化物的析出，提高了鋼整體的電極電位，使耐蝕性提高。此外，通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)微合金鋼抗腐蝕性能影響研究得出，鐵的晶體結(jié)構(gòu)隨著磁通密度Φd的增加受到影響，原子排列傾向于平行磁場(chǎng)方向，使金屬離子的活度αMn+降低。因此，腐蝕率會(huì)隨穩(wěn)恒磁場(chǎng)磁通密度的增加而降低。雖然相變過(guò)程中的磁場(chǎng)處理提高了微合金鋼的抗腐蝕性，但隨磁通密度Φd的增加，抗腐蝕性能提高的幅度降低，通過(guò)磁場(chǎng)處理提高微合金鋼的抗腐蝕性能有一定的限度。

磁場(chǎng)在金屬固態(tài)相變中的應(yīng)用已經(jīng)日漸廣泛，并取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。磁場(chǎng)憑借其獨(dú)特的作用在改善金屬材料性能和新型金屬材料的制備中占有一席之地，但磁場(chǎng)的作用機(jī)理還有待進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)研究。相信隨著人們對(duì)磁場(chǎng)與物質(zhì)相互作用認(rèn)識(shí)的逐步加深，磁場(chǎng)在金屬材料中的應(yīng)用也將不斷拓展。（子云）