电磁场影响冶金相变机理重大项目

电磁场影响冶金相变机理

项目简介

高品质金属材料是先进装备制造业发展的基础。我国在高品质金属材料生产技术上仍落后于发达国家，高端装备制造受制于发达国家，迫切需要不断提升金属材料品质。这既是我国发展航空、航天、高端装备的重大需求，也是世界冶金技术发展的主要方向之一。

控制金属材料品质的核心过程之一是冶金相变过程，而常规的控温和电磁搅拌等手段已较难实现对冶金相变过程的有效控制。新近发现的磁致过冷等多个效应为电磁场控制冶金相变过程开辟了新的途径，同时在电磁场影响金属凝固形核、生长和金属塑性机制等方面提出重大科学问题。该重大项目将围绕磁场对金属材料凝固温度点（磁致过冷）和形核的影响规律及内在机制；热电磁力和热电磁对流生成机制及其对固液、固固转变中组织形貌的影响规律；磁场对金属材料原子扩散和位错行为（磁致塑性）的影响规律及内在机制等三大科学问题展开研究。

　　重大项目由上海大学、东北大学、西北工业大学和大连理工大学的优势力量组成的团队承担，负责人为上海大学任忠鸣教授。将利用同步辐射、中子衍射和分子动力学计算等手段，从理论和实验上开展研究。通过上述科学问题的解决，项目将在深入掌握电磁场对凝固组织和偏析影响机理的基础上建立热、电、磁、力协同作用下凝固组织和偏析演变模型；提出电磁场与温度场等协同控制凝固组织和偏析和电磁场控制应力作用下固态相变制备织构材料等技术原理；为建立冶金全流程电磁场控制提供理论基础和技术原型，从而为开辟电磁场下高品质金属材料生产的新工艺路线提供基础。

项目负责人介绍

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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

课题研究内容

1.强磁场下冶金相变形核机理研究

(1)研究磁场对界面能的影响规律和磁场下微结构演化规律，建立合金界面能与磁场强度间的关系；构建磁场影响下金属熔体结构与物性的关系；
(2)研究磁场下合金材料的凝固过冷行为和磁场对材料过冷度的影响规律；
(3)研究磁场下液-固、固-固转变形核机制，建立磁场下结晶分子动力学模型；
(4)提出利用磁致过冷等效应进行合金凝固形核电磁场控制技术原型。

2.磁场下凝固中晶体生长动力学研究
(1) 研究磁场下液-固界面附近溶质迁移及再分配规律，分析磁化作用对溶质迁移和再分配的影响机制；
(2) 研究磁场下液/固界面稳定性及形貌演变行为，考察磁化、热电磁力等对界面稳定性和形貌影响规律；
(3) 研究磁场下晶体生长速度变化规律，考察不同晶型合金在磁场中生长的行为，并建立理论模型；
(4) 研究磁场下生长动力学与组织演变的关系，分析磁场下晶体取向、组织选择、尺寸特征、均匀性等组织特征的影响规律，建立基本模型。

3.电磁场下固态转变动力学研究
(1)研究电磁场作用下固体金属中原子扩散规律，并揭示其微观机制和建立基本模型；
(2)电磁场和应力共同作用下固态转变过程中位错及晶界生成和运动行为，建立电磁场与位错运动等的关系，探明磁致塑性的机理；
(3)电磁场和应力共同作用下固态转变速率变化规律，分析其生长驱动力的变化，建立磁场、应力场与新相生长速率的关系；
(4)电磁场和应力场共同作用下固态转变中界面特征及形貌演变、溶质分布规律，建立电磁场下晶体生长基本模型。

4.热、电、磁、应力协同作用下相变界面行为与组织形态演变规律研究
(1) 研究多场协同作用下凝固多尺度流动与溶质传输规律，及其对凝固枝晶形态等的影响规律并建立相应模型；
(2)研究多场协同作用下两相区及凝固组织演化规律；建立凝固两相区、晶粒组织和偏析变化模型；
(3) 研究多场共同作用时固-固转变界面行为及组织演化规律并建立相应模型；
(4)提出电磁场控制金属材料组织的新原理。

课题设置及其关系

课题一、强磁场下冶金相变形核机制研究

　　着重考察凝固过程中强磁场对金属熔体结构，液-固界面能和过冷度的影响规律;揭示强磁场影响金属凝固形核的内在机制;建立磁场下凝固形核结晶分子动力学模型，完善形核理论。研究在金属固态相变中强磁场对相变温度、固-固界面能的影响规律，揭示强磁场影响金属固态相变形核的内在机制;建立强磁场下固态相变形核热力学和动力学理论模型。

　　课题由上海大学牵头，西北工业大学参与。其中，上海大学负责强磁场下冶金相变温度的变化规律、强磁场下金属液-固界面能的变化规律、强磁场下形核过程的分子动力学模拟、磁致相变及形核控制等内容的研究工作，西北工业大学负责强磁场下金属熔体结构与物性等内容的研究工作。

课题二、强磁场下液/固界面演化机制及晶体生长行为研究重点:

　　研究磁场下金属凝固生长中液/固界面溶质迁移及再分配规律;考察磁场作用下液/固界面稳定性及形貌演变规律和晶体生长动力学行为，测定热电磁参数，观察热电磁效应及其对凝固界面稳定性、界面形貌演化等的影响，结合数值模拟方法分析强磁场下生长动力学与组织演变的关系，揭示强磁场的作用机制，建立磁场下凝固生长界面稳定性和形貌演化的模型。

　　课题由东北大学牵头，上海大学参与。其中，东北大学负责强磁场下液/固界面溶质迁移及再分配、界面稳定性及形貌演变规律、晶体生长动力学与组织演变的关系等内容的研究，上海大学负责强磁场下晶体生长原位观测及模拟等内容的研究工作。

课题三、电磁场下金属固态转变界面特性及相长大行为

　　研究电磁场、应力场和温度场(三场)共同作用下的固态转变过程固/固界面特性和原子扩散规律，建立不同磁性合金元素在三场作用下的扩散模型;研究电磁场下的位错及位错与钉扎关系，探明三场作用下的位错运动规律;考察三场作用下的新相长大行为，分析三场作用下的固态转变驱动力变化和组织演化规律;提出实现脆性金属材料压力加工和热处理电磁调控技术原型。由上海大学牵头，东北大学参与。上海大学承担电磁场、应力场和温度场共同作用下固态转变中界面特性、扩散、位错运动规律和脆性材料加工处理电磁调控技术研究;东北大学承担三场作用下固态转变驱动力分析、新相长大行为和组织演化研究。

课题四、热、电、磁、力协同作用下组织演变及缺陷控制

　　考察电磁场施加后固液两相区及凝固界面前沿热、电、磁、力等参量的变化及协同作用关系。结合数值模拟研究多场耦合作用下凝固多尺度流动及溶质传输规律，建立模型分析电磁场作用下凝固两相区热电磁力和对流。研究电磁场作用对凝固和固态相变过程组织演化规律的影响，结合多尺度模拟技术，获得电磁场下组织演化模型。结合实验研究、模拟计算和理论建模等方法，获得强磁下冶金相变过程中的组织演变规律，建立磁场调控组织的技术模型，获得磁场控制缺陷的方法。

　　由西北工业大学牵头，大连理工大学参与。其中西北工业大学主要负责电磁场作用下凝固和固态相变组织演化规律的研究，以及电磁场组织调控数值计算模型的建立;大连理工大学负责多场耦合作用下凝固多尺度流动及溶质传输规律的研究，进行电磁场作用下组织演变同步辐射 X 射线成像原位表征工作。

课题间关系：