二元合金脱溶沉淀过程的微观相场模拟

摘要

本文采用微观相场方法模拟研究了二元合金的脱溶沉淀过程。首先对无共格畸变效应的模型合金的沉淀过程进行了研究,重点探讨了时效温度和合金成分对沉淀过程的影响;并在此基础上结合微观弹性力学理论研究了共格弹性应变能作用下的脱溶沉淀过程;最后采用准化学方法和电负性方法近似计算了Al-Cu间的相互作用能参数,将二维模型向三维进行了扩展,模拟了Al-Cu合金的早期沉淀过程。对无共格畸变效应的二元模型合金沉淀过程的研究表明,沉淀相的沉淀机制为非经典形核,形貌为各向同性的球形。合金初始浓度越低、时效温度越高,形核孕育期越长,形核长大的速度越慢,沉淀相的数目达到峰值的时间越长,峰值处的尺寸分布越弥散,后期的粗化速度也越快。在共格弹性应变能的作用下,沉淀相沿基体的弹性软方向析出,形状由球形转变为短棒状。弹性应变能的绝对值越大,形核孕育期越短,晶核数目越多,后期形成的短棒状组织的长径比越大,后期的粗化速度也越快。当合金的初始浓度较低且共格弹性应变能较大时,即可形成溶质原子偏聚的GP区。Al-Cu合金沉淀时首先沿{100}晶面析出一个原子层厚的圆盘状的GP区,随后GP区沿析出方向长大,直径达到约15个原子宽后,邻近的GP区在拐角处相互连接成θ′相,时效温度越高,形核孕育期越长,沉淀析出的过程越慢,时效温度为190?C时,析出的沉淀相具有有序结构,类似于GPII区。

目录

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 沉淀动力学的理论研究

1.2.1 集团动力学理论

1.2.2 失稳理论

1.2.3 失稳有序化

1.2.4 沉淀相粗化

1.3 沉淀过程的计算机模拟

1.3.1 模拟方法概述

1.3.2 蒙特卡罗法及其在模拟沉淀过程中的应用

1.3.3 连续相场法及其在模拟沉淀过程中的应用

1.3.4 微观相场法及其在模拟沉淀过程中的应用

1.4 Al-Cu合金沉淀过程研究进展

1.4.1 实验研究

1.4.2 数值模拟研究

1.5 本文的研究内容

第2章 微观相场法基本原理及沉淀动力学模型

2.1 引言

2.2 模型的基本假设

2.3 二元体系动力学模型

2.3.1 微观扩散方程

2.3.2 平均场自由能

2.3.3 微观朗之万力

2.3.4 傅立叶空间中的微观扩散方程

2.3.5 微观扩散方程在二维正方晶格中的应用

2.3.6 无量纲形式的动力学方程及基本算法

2.4 Matlab语言编程

2.5 本章小结

第3章 无共格畸变的二元合金的沉淀过程

3.1 引言

3.2 研究对象

3.3 合金成分对沉淀过程的影响

3.3.1 沉淀过程的直观图

3.3.2 成分振幅

3.3.3 沉淀相的数目与尺寸分布

3.3.4 粗化指数

3.4 时效温度对沉淀过程的影响

3.4.1 沉淀过程的直观图

3.4.2 成分振幅

3.4.3 沉淀相的数目与尺寸分布

3.4.4 粗化指数

3.5 本章小结

第4章 共格弹性应变能作用下的二元合金沉淀过程

4.1 引言

4.2 正应变能参数对沉淀过程的影响

4.3 负应变能参数对沉淀过程的影响

4.4 应变能参数对沉淀过程影响分析

4.5 GP区的形成过程

4.6 本章小结

第5章 Al-Cu合金早期沉淀过程的模拟

5.1 引言

5.2 参数计算

5.3 微观相场模型

5.4 Al-Cu合金时效过程中的组织演化

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢