Ni-Cr-Al合金沉淀早期的微观相场模拟

摘要

以Ni-Cr-Al三元合金为对象，基于微观相场模型，只需输入唯一基本参数——原子间相互作用势，毋需输入无实际物理意义的参数，即可获得原子图像的演化、长程序参数和浓度的变化、平均长程序参数、平均浓度以及体积分数的变化过程，描述合金沉淀全过程的原子簇聚、有序化过程。本文研究了不同合金成分、不同温度下的沉淀序列和沉淀机制，分析了Cr原子替代行为以及分级时效对合金有序相尺寸、体积分数的影响。主要结论如下： 当Al、Cr含量较低时，Ni-Cr-Al合金按非经典形核长大机制同时沉淀出Ll<,2>相和DO<,22>相。随Cr含量增加，DO<,22>相沉淀机制由非经典形核长大向混合机制过渡，进一步向等成分有序化+失稳分解机制过渡；Ll<,2>相沉淀机制由非经典形核长大向混合机制过渡。随Al含量增加，Ll<,2>相沉淀机制由非经典形核长大向混合机制过渡，进一步向等成分有序化+失稳分解机制过渡，DO<,22>相逐渐消失。当Al、Cr含量都较高时，Ll<,2>相和DO<,22>相沉淀机制都为失稳分解机制。 沉淀温度在873K－1373K范围内，随着温度提高，Ll<,2>相和DO<,22>相的沉淀机制由等成分有序化+失稳分解机制转化为混合机制，进一步向非经典形核机制过渡；沉淀相形貌由片状向球状过渡。 非经典形核长大机制的孕育期最长，失稳分解机制的孕育期最短，混合机制居中。随Al、Cr含量增加，孕育期缩短；随着温度的提高，孕育期延长。 合金沉淀温度低于1223K时，首先以等成分有序化+失稳分解机制沉淀出非化学计量比Ll<,2>相。随后，Cr原子在Ll<,2>相有序畴界处偏聚，进一步沉淀出DO<,22>相。部分DO<,22>相在Ll<,2>相内沉淀。温度升高，Ll<,2>相体积分数增加，DO<,22>相体积分数减少。1373K时，首先以非经典形核机制同时沉淀Ll<,2>和DO<,22>相，DO<,22>相逐渐缩小直至消失，最终形成单一Ll<,2>相。 Ni<,75>Al<,25-x>Cr<,x>合金中，Cr原子与Al原子同时发生有序化，共同占据Ll<,2>相的β-格点，形成复合Ll<,2>相 (Ni<,3>Al<,1-x>Cr<,x>)。在Ll<,2>相畴界，Cr原子逐步取代Al原子位置，最终形成DOM<,22>相(Ni<,3>Cr)。Ni<,75-x>Al<,25>Cr<,x>合金沉淀过程中，当Cr原子分数超过3％时，Ll<,x>相内Cr原子在α-格点、β-格点占位几率接近极限值，在Ll<,2>相相界Cr原子浓度逐步提高，形成DO<,22>相。 在873K到1173K温度范围内， Ni-Cr-Al合金沉淀温度升高时，在Ll<,2>相内的Cr原子在α-格点和β-格点的占位几率都提高，Ll<,2>相体积分数增加，DO<,22>相体积分数减少。 在中间处理阶段，合金沉淀机制为非经典形核长大；时效处理时，沉淀机制为等成分有序化+失稳分解混合机制。时效温度提高时(973K－1373K)，Ll<,2>相尺寸增大，有序相体积分数提高；而降低中间处理温度，时效温度不变，Ll<,2>有序相颗粒数量增多，直径减小，体积分数变化很小。与单级时效相比，二级时效和三级时效工艺可增大沉淀相颗粒尺寸和提高体积分数。

目录

文摘

英文文摘

声明

论文的主要创新与贡献

第1章绪论

1.1引言

1.2计算材料学中的模拟方法

1.3沉淀理论及其研究进展

1.3.1经典形核长大理论

1.3.2非经典形核长大理论

1.3.3形核、长大和粗化作为伴随过程的描述

1.3.4失稳理论

1.3.2统一理论的提出

1.4金兹堡-朗道相场动力学

1.4.1金兹堡-朗道理论(GL理论)

1.4.2连续体相场动力学模型(CH模型和AC模型)

1.4.3微观相场动力学模型

1.5合金沉淀过程研究进展

1.6本文主要研究内容和构架体系

参考文献

第2章微观相场动力学模型

2.1微观相场动力学模型简介

2.2模型的特点与优点

2.3模型的基本假设

2.4微观相场动力学数学模型

2.4.1微观相场基本方程

2.4.2三元体系微观相场扩散方程

2.4.3傅立叶空间中的微观langevin方程

2.4.4平均场自由能

2.4.5四近邻原子间相互作用近似

2.4.6投影后的动力学方程

2.4.7热起伏的产生

2.5编程思路

2.6本章小结

参考文献

第3章不同成分的Ni-Cr-Al合金早期沉淀机制

3.1 Ni-Cr-Al合金中有序相结构及原子间作用势

3.1.1 Ni-Al合金系

3.1.2 Ni-Cr和Al-Cr合金系

3.1.3 Ni-Cr-Al合金系

3.2低Al含量合金早期沉淀机制

3.2.1 Ni-11at.％Cr-7at.％Al合金沉淀过程

3.2.2 Ni-14at.％Cr-7at.％Al合金沉淀过程

3.3.3 Ni-18at.％Cr-7at.％Al合金沉淀过程

3.3低Cr含量合金早期沉淀机制

3.3.1 Ni-7at.％Cr-9at.％Al合金沉淀过程

3.3.2 Ni-7at.％Cr-13at.％Al合金沉淀过程

3.3.3 Ni-7at.％Cr-18at.％Al合金沉淀过程

3.4高Cr、Al含量合金早期沉淀机制

3.4.1 Ni-13at.％Cr-14at.％Al合金沉淀机制

3.4.2 Ni-14at.％Cr-15.5at.％Al合金沉淀机制

3.5分析与讨论

3.5.1溶质原子浓度和合金沉淀机制关系

3.5.2两种有序相共存现象的讨论

3.5.3有序相畴界偏析

3.6本章小结

参考文献

第4章温度对合金早期沉淀机制的影响

4.1温度为973K时合金沉淀机制

4.2温度为1073K时合金沉淀机制

4.3温度为1173K时合金沉淀机制

4.4温度为1193K时合金沉淀机制

4.5温度为1203K时合金沉淀机制

4.6温度为1213K时合金沉淀机制

4.7温度为1223K时合金沉淀机制

4.8温度为1273K时合金沉淀机制

4.9温度为1323K时合金沉淀机制

4.10温度为1373K时合金沉淀机制

4.11分析与讨论

4.11.1温度对合金沉淀驱动力的影响

4.11.2平均成分偏离序参数和平均长程序参数的变化

4.11.3有序相体积分数的变化

4.12本章小结

参考文献

第5章合金沉淀过程中Cr原子的替代行为

5.1 Ni75Al25-xCrx合金

5.1.1873K时Ni-5at.％Cr-20at.％Al合金

5.1.2 Ni-7at.％Cr-18at.％Al合金

5.1.3 Ni-10at.％Cr-15at.％Al合金

5.1.4 Ni-13at.％Cr-12at.％Al合金

5.1.5 Ni75Al25-xCrx合金中成分对替代规律的影响

5.2 Ni75-x Al25Crx合金

5.2.1 Ni-3at.％Cr-25at.％Al合金

5.2.2 Ni-5.5at.％Cr-25at.％Al合金

5.2.3 Ni75-xAl25Crx合金中Cr含量对替代行为的影响

5.3不同温度下Cr原子的替代行为

5.3.1原子图像演化

5.3.2 Cr原子占位几率的变化

5.3.3有序相体积分数的变化

5.4分析与讨论

5.4.1替代中的热力学分析

5.4.2与实验结果的对照分析

5.5本章小节

参考文献

第6章分级时效对合金沉淀过程的影响

6.1 1073K单级时效的沉淀过程

6.2二级时效的沉淀过程

6.2.1 1323K中间处理+1073K时效的沉淀过程

6.2.2 1323K中间处理+时效1123K的沉淀过程

6.2.3 1323K中间处理+时效1173K的沉淀过程

6.2.4 1273K中间处理+时效1073K的沉淀过程

6.3三级时效的沉淀过程

6.3.1温度为1323K+1173K+1033K的沉淀过程

6.3.2温度为1323K+1193K+1033K的沉淀过程

6.3.3温度为1338K+1193K+1033K的沉淀过程

6.3.4温度为1353K+1223K+1033K的沉淀过程

6.4分析与讨论

6.4.1二级时效有序相体积分数的变化

6.4.2三级时效有序相体积分数的变化

6.4.3平均长程序参数变化

6.5本章小结

参考文献

结论

攻读博士学位期间发表的论文

致谢