Effects of high magnetic field on high purity Fe-C alloys during diffusional phase transformation

par Xiaoxue Zhang

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Claude Esling, Yudong Zhang, Xiang Zhao et de Liang Zuo.

Soutenue le 09-07-2012

à l'Université de Lorraine en cotutelle avec Northeastern University (Shenyang) , dans le cadre de EMMA - Ecole Doctorale Energie - Mécanique - Matériaux , en partenariat avec LEM3 - Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux - UMR 7239 (laboratoire) .

Le président du jury était Yuansheng Yang.

Le jury était composé de Tingju Li, Philippe Martineau.

Les rapporteurs étaient Yves Fautrelle, Zhongming Ren.

  • Titre traduit

    Effets d'un champ magnétique élevé sur des alliages Fe-C de haute pureté au cours de la transformation de phase diffusionnelle


  • Résumé

    Dans ce travail, l'influence du champ magnétique sur la transformation de phase diffusionnelle dans des alliages Fe-C de haute pureté a été étudiée théoriquement et expérimentalement. Les caractéristiques microstructurales et celles d'orientations cristallographiques induites par le champ magnétique ont été soigneusement étudiées dans trois alliages Fe-C à différents taux de carbone, à savoir Fe-0.12C, Fe-0.36C, Fe-1.1C. Le champ magnétique induit différentes microstructures alignées et allongées le long de la direction du champ, à savoir des colonies de perlite alignées et allongées dans l'alliage Fe-0.12C et des grains allongés de ferrite proeutectoïde dans l'alliage Fe-0.36C, en raison de l'interaction magnétique dipolaire à deux différentes échelles. Le champ magnétique augmente la quantité de ferrite dans les alliages hypoeutectoïdes et cet effet du champ est plus prononcé avec l'augmentation du taux de carbone. Le champ magnétique inhibe la formation de ferrite de Widmanstätten en introduisant une force motrice supplémentaire pour la transformation ferritique et réduisant ainsi la nécessité de l'interface de faible énergie qui est requise pour surmonter les barrières de transformation durant le processus de refroidissement lent. Le champ magnétique favorise la formation de la structure anormale en augmentant la force d'entraînement de la transformation de l'austénite appauvrie en carbone en ferrite et il améliore la sphereoidization de perlite en raison de son influence sur l'accélération de la diffusion de carbone entraînée par l'augmentation de la température de transformation, ainsi que son effet sur l'augmentation de l'énergie relative de l'interface ferrite /cémentite. L'augmentation de la solubilité du carbone dans la ferrite induite par le champ est mise en évidence à travers les mesures WDS-EPMA pour la première fois. Des calculas ab-initio montrent que la présence d'un atome de carbone interstitiel dans Fe-C modifie les moments magnétiques des atomes de Fe voisins. Ceci conduit à la diminution de l'énergie de démagnétisation du système et rend le système énergétiquement plus stable dans le champ magnétique. En raison de l'interaction dipolaire magnétique à l'échelle atomique, le champ magnétique favorise la nucléation et la croissance des grains de ferrite ayant leur direction <001> distordue parallèle à la direction du champ transversal, et induit donc l'augmentation de la composante de fibre <001> dans le sens transversal par rapport à la direction du champ. Cet effet du champ est relié à la distorsion du réseau cristallin induite par une solution de carbone et son impact devient plus fort avec l'augmentation de la teneur en carbone et l'intensité du champ. Trois relations d'orientations (OR) entre la ferrite perlitique et la cémentite ont été trouvées dans ce travail, à savoir l'OR Isaichev (IS) et deux OR proches des OR Pitsch-Petch (PP). Le champ magnétique ne modifie guère les types d'OR qui apparaissent, mais il augmente considérablement la fréquence d'occurrence des OR P-P2, en particulier dans l'alliage Fe-1.1C, en favorisant la nucléation de la ferrite


  • Résumé

    In this work, the influence of the magnetic field on diffusional phase transformation in high purity Fe-C alloys has been investigated theoretically and experimentally. The magnetic field induced microstructural features and crystallographic orientation characteristics have been thoroughly studied in three different carbon content alloys: Fe-0.12C, Fe-0.36C and Fe-1.1C alloys. Magnetic field induces different aligned and elongated microstructures along the field direction, namely aligned and elongated pearlite colonies in Fe-0.12C alloy and elongated proeutectoid ferrite grains in Fe-0.36C alloy, due to the two scaled magnetic dipolar interaction. Magnetic field increases the amount of ferrite in hypoeutectoid alloys and this field effect becomes more pronounced with the increase of the carbon composition. Magnetic field inhibits the formation of Widmanstätten ferrite by introducing additional driving force to ferritic transformation and thus reducing the need for low energy interface which is required to overcome the transformation barriers during slow cooling process. Magnetic field promotes the formation of abnormal structure by increasing the driving force of transformation from carbon-depleted austenite to ferrite and it enhances the spheroidization of pearlite due to its influence on accelerating carbon diffusion resulting from increased transformation temperature, together with its effect on increasing the relative ferrite/cementite interface energy. The field induced enhancement of carbon solution in ferrite is evidenced through the WDS-EPMA measurements for the first time. Ab-initio calculations reveal that the presence of an interstitial carbon atom in bcc Fe modifies the magnetic moments of its neighboring Fe atoms. This leads to the decrease of the demagnetization energy of the system and makes the system energetically more stable under the magnetic field. Due to the atomic-scaled magnetic dipolar interaction, magnetic field favors the nucleation and growth of the ferrite grains with their distorted <001> direction parallel to the transverse field direction, and thus induces the enhancement of the <001> fiber component in the transverse field direction. This field effect is related to the crystal lattice distortion induced by carbon solution and its impact becomes stronger with the increase of the carbon content and the field intensity.Three ORs between pearlitic ferrite and cementite have been found in present work, namely Isaichev (IS) OR and two close Pitsch-Petch (P-P) ORs. Magnetic field hardly changes the types of the appearing ORs, but it considerably increases the occurrence frequency of the P-P2 OR, especially in Fe-1.1C alloy, by favoring the nucleation of ferrite


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