相场法模拟弹性应变能对Ti-Al-Nb合金α2→O相变粗化动力学的影响

采用相场方法模拟了Ti-Al-Nb合金α₂→O相转变,探讨了有无外力场作用下弹性应变能对O相颗粒形貌、取向、数目、体积分数及平均尺寸的影响.结果表明:在弹性应变能作用下,颗粒形貌为长方块状,且沿弹性软方向分布;无外力场时,弹性应变能越大,沉淀相越易形核,稳定时颗粒数目越多,体积分数及平均尺寸越小;在外力场作用下,取向有利的变体优先长大,取向不利的变体长大受到抑制;在较小压应力作用下,沉淀相易于形核,稳定时颗粒数目增多,体积分数减小;在拉应力或较大压应力作用下,应力越大,越难于形核,稳定时颗粒数目越少,体积分数越大.     

三维相场法模拟弹性能作用下Ni基合金g ′相颗粒的粗化动力学

基于三维相场模型,研究了弹性能对γ′相颗粒形貌、取向和多颗粒合并行为的影响,以及沉淀相体积分数对γ′相颗粒数目、平均尺寸和尺寸分布的影响。结果表明:弹性能作用下γ′颗粒形貌为立方体形或者长方体形,且沿<100>弹性软方向分布。弹性能对同相多颗粒合并行为的影响主要取决于与颗粒分布、尺寸及畴界间距等有关的弹性交互作用。随着沉淀相体积分数的增加,颗粒数目先增加至最大值后减少,颗粒平均尺寸逐渐增加。     

相场法模拟不同形状的硬质颗粒对两相晶粒长大的影响

采用相场方法研究了不同颗粒体积分数及尺寸条件下不同形状的硬质颗粒对两相系统晶粒长大的影响,结果表明:球形颗粒大多处于三角晶界处,片状颗粒处于晶界处且沿晶界分布.不同形状的硬质颗粒对体积占优的α相晶粒长大无明显影响,对体积分数较小的β相晶粒长大的影响主要取决于颗粒数目.颗粒数目较少时,不同形状的硬质颗粒对β相晶粒长大无明显影响;颗粒数目较多时,片状颗粒比球形颗粒对β相晶粒长大的阻碍作用强烈.颗粒体积分数越大,颗粒对晶界的钉扎作用越强,稳态时晶粒的半径越小;颗粒尺寸越大,单个颗粒对晶界的钉扎作用越强,但总的钉扎作用越弱,稳态时晶粒的半径越大.     

含第二相颗粒的晶粒长大过程相场法

第二相颗粒对晶界有很强的钉扎作用,大量第二相颗粒的存在将影响系统正常的晶粒长大过程.本文采用相场法研究了第二相颗粒尺寸大小和体积分数对晶粒长大过程的影响.模拟结果表明第二相颗粒体积分数越大,对晶界的钉扎作用越强,稳态时晶粒尺寸越小.第二相颗粒体积分数达到一定范围时可能发生个别晶粒的异常长大.单个第二相颗粒尺寸越大,其对晶界钉扎作用越强,但当体积分数一定时第二相颗粒尺寸越小,总的钉扎效果越强,最终系统的晶粒尺寸越小.通过相场模拟获得了极限晶粒尺寸与第二相颗粒参数的定量关系,相场模拟结果与实验结果和Monte Carlo 模拟结果相符合.     

相场方法研究硬质颗粒钉扎的两相晶粒长大过程

采用相场方法模拟第三相颗粒钉扎的两相耦合的晶粒长大过程,系统地研究了第三相颗粒体积分数和尺寸大小对两相晶粒长大过程的影响.模拟结果表明,第三相颗粒体积分数越大,对晶界的钉扎作用越强,且极限晶粒尺寸越小.单个第三相颗粒尺寸越大,对晶界钉扎作用越强.但当体积分数一定时第三相颗粒尺寸越小时,颗粒数目会越多,此时总的钉扎效果会越好,晶粒极限尺寸也越小.若晶粒长大系统同时引入两种不同大小的第三相钉扎颗粒,且两种颗粒所占比例相同时,钉扎效果最好.相场方法模拟所得到的二相多晶材料晶粒组织演化规律和晶粒生长指数、晶粒形态、生长动力学和拓扑结构特征与已有实验和理论结果相符合.     

Ti(C,N)对Ni基高温合金组织结构、力学性能和抗氧化性的影响

基于相场法,以第二相颗粒平衡体积分数不同的合金为对象,研究第二相颗粒的沿晶析出、长大及其对基体相晶界的钉扎作用.结果表明,第二相颗粒的平衡体积分数越大,其形核孕育期越短,形核与粗化的速度也越快;然而在第二相颗粒的长大阶段,平衡体积分数较大(15％～25％)时第二相颗粒长大速度较慢,而平衡体积分数较小(10％)时则长大速度较快.随着第二相颗粒平衡体积分数的增大,其对晶界的钉扎作用也逐渐增强,但平衡体积分数增大到一定程度,钉扎作用将趋于稳定.第二相颗粒对晶粒极限尺寸的影响遵循Zener关系.     

D022型Ni3(V,Al)相沉淀过程中应力取向效应的微观相场模拟

应用耦合共格弹性畸变的微观弹性相场法研究D022型Ni3(V,Al)相沉淀过程中的应力取向效应。结果表明,在弹性内应力作用下,D022沉淀相表现出明显的位向性:相颗粒倾向于沿应力软方向[100]生长而在[001]方向受抑制,即生长方向与长轴[001]方向垂直,D022相最终沉淀形貌呈"层"状;沉淀过程中三类D022相变体相互协调以减小共格畸变能,最终D022-variant Ⅲ消失,存留的两类中D022-variant Ⅰ体积比占优。     

MICROSCOPIC PHASE-FIELD SIMULATION COUPLED WITH ELASTIC STRAIN ENERGY FOR γ′(Ni3Al) PRICIPITATION IN Ni-Al ALLOY

基于微观相场动力学模型和微观弹性能理论,对Ni-Al合金中沉淀相Ni3Al(γ′)形貌演化、早期沉淀机制和后期粗化过程进行了原子层面的计算机模拟.结果表明:沉淀过程中γ′相形貌由早期随机分布的圆形或不规则状逐渐向方形转变,其排列的取向性也越来越明显,最后形成周边圆滑的长方块状颗粒,沿[10]和[01]弹性"软"方向规则排列.弹性应变能作用下的粗化过程遵循优先选择的原则,位于弹性"软"方向上的颗粒不断长大和粗化,位于弹性"软"方向外的颗粒逐渐消失,沉淀后期在基体中形成高度择优取向的微观组织.低浓度Ni-Al合金中γ′相的早期沉淀机制为非经典形核长大机制,其演化序列为:过饱和固溶体→非化学计量比有序相→化学计量比平衡γ′相→长大.     

相场法模拟应力时效过程中共格有序第二相的析出和粗化

采用双场耦合条件下的宏观相场法，实现了模拟外加应力下无序基体中共格有序第二相的析出和粗化。结果发现，在外加应力下，第二相颗粒将发生定向粗化，形成筏状组织，成筏的方向取决于外加应力的性质、点阵错配的正负以及两相的弹性模量差。沉淀体积分数越大，颗粒合并和反相畴界对沉淀形貌的影响越显著，导致许多颗粒呈现不规则形貌。颗粒的对齐有两种机制，一是链条外颗粒的溶解，一是颗粒的迁移。在粗化过程中，多颗粒体系首先通过前1种机制形成链条，然后通过第2种机制使链条进一步对齐。     

镍基合金粗化过程共格沉淀相形貌不稳定性的相场研究

基于微观相场动力学模型,对应变诱发镍基合金粗化过程共格沉淀相的形貌不稳定性及其发展规律进行了研究。结果表明,应变能作用下,粗化过程中沉淀颗粒界面曲率发生变化,通过沿[10]方向尺寸减小与[11]方向尺寸增大,转变为方形。低应变能作用下,沉淀颗粒形貌由圆形转变为周边圆滑,边长向外凸的方形颗粒;中等应变能作用下,沉淀颗粒形貌由圆形变为边长向内凹的方形;高应变能作用下,圆形沉淀颗粒先转变为方形,再从方形颗粒中心"分裂"为2个长条状颗粒,进一步转变为双透镜形状。     

Ni75AlxV25-x合金沉淀相粗化行为的微观相场模拟

基于共格应变的微观弹性理论和微观相场动力学模型,模拟了Ni75AlxV25-x合金沉淀过程的组织演化和粗化行为．结果表明：两种沉淀相颗粒在粗化阶段均表现出明显的取向性．θ相（Ni3V）沿[100]方向的生长趋势明显超过[001]方向,γ’相（Ni3Al）沿（001）方向排列．二相析出顺序与Al含量有关,先析出相的长大和粗化两个阶段比较分明,后析出相的长大和粗化过程同时进行．两种有序相发生粗化以相邻颗粒碰撞并融合为较大颗粒的方式进行．不同浓度的合金两相析出先后顺序及体积分数不同,但最终形貌基本一致,两相均呈长方块状分布,并且具有（001）θ‖{100}γ＇的取向关系．     

第二相颗粒对晶粒长大影响的三维相场模拟

为了理解颗粒钉扎作用,应用多序参量晶粒长大相场模型,采用周期性边界条件,研究了三维条件下第二相颗粒的尺寸分布、体积分数、空间分布对基体晶粒长大的影响。结果表明,由于钉扎作用,含第二相颗粒的基体晶粒尺寸更加均匀,呈正态分布;与颗粒尺寸正态分布的基体相比,颗粒尺寸均匀分布的基体晶粒尺寸分布更宽;基体晶粒尺寸随第二相体积分数的增大而减小;晶粒平均半径随着颗粒分布不均匀程度的增加而降低,但当第二相颗粒均匀分布在基体中时,晶粒平均半径最小。     

形状记忆合金中的马氏体变体在外场下的再取向和再分布机制

利用相场方法研究了马氏体变体在循环应力作用下再取向和再分布的微观机制。模拟结果表明,随着外应力的增加,在孪晶界面会出现母相的形核和长大,以此实现变体间的转化,这是3种变体转化为2种变体的主要再取向机制;卸载后消失的变体在孪晶界面重新形核并长大以完成系统内微观组织的再分布。在Mn-Cu合金中这种机制是控制循环载荷下形状记忆效应产生的主要机制。     

共格沉淀析出过程的微观结构演化相场法模拟

采用微观相场模型,对共格沉淀析出过程微观结构的演化进行计算机模拟,并探讨不同作用程度的弹性应变能对沉淀相形貌的影响规律。研究发现:当共格弹性应变能为零时,沉淀相为球状弥散分布的颗粒或"海绵状"结构,呈各向同性特征;随应变能作用的增强,沉淀相分布的取向性越来越明显,趋于沿弹性"软"方向分布,形成类方格阵、纵横层状结构等,呈各向异性特征。模拟结果和相关实验结果一致。     

Ni-Cr-Al合金中间处理过程的微观相场模拟

基于微观相场模型，模拟研究中间处理＋时效处理（1273K＋1073K）工艺对Ni-15．5％Al-10．5％Cr（原子分数，下同）合金沉淀机制和有序相体积分数的影响。研究发现：经过中间处理，合金沉淀机制为非经典形核长大；而单级时效时，沉淀机制为等成分有序化＋失稳分解混合机制。中间处理可得到尺寸较大的沉淀强化相γ-相，有序相体积分数和平均长程序参数有所提高，孕育期比单级时效延长。     

凝固过程中椭圆形颗粒对晶粒生长影响的相场法模拟

用相场法模拟了凝固过程中椭圆形钉扎颗粒对晶粒长大的影响,考虑了不同长短轴比下的椭圆形颗粒对单位面积内晶粒数目、晶粒平均半径、晶粒尺寸分布以及晶粒所占面积分数的影响.结果表明,长短轴之比越小(短轴越长),颗粒对晶粒的钉扎作用就越弱,晶粒数目会越少,晶粒所占的面积分数会越来越大,平均晶粒尺寸也会越来越大,晶粒尺寸分布会越来越不均匀,发生晶粒异常长大的几率就会越来越大.     

第二相粒子尺寸对基体晶粒长大影响的仿真研究

根据第二相粒子与基体晶界交互作用的微观物理基础,建立了复相材料晶粒长大的三维图象的仿真方法,设计了含有相同体积分数,不同尺寸第二相粒子的复相体系,并全程仿真了三维复相材料的晶粒长大过程,对粒子尺寸影响基体粒长大的直接观察和定量分析表明,粒子尺寸越大,晶界的“脱钉”趋势越弱,晶粒长大到达停滞状态所经历的时间越长,停滞状态下基体晶粒尺寸越大且尺寸分布的均匀性越近,极限晶粒尺寸与粒子尺寸之间并不存在简单     

共格沉淀相粗化行为的计算机模拟研究

将微观弹性应变能理论和微观扩散方程相耦合，建立起时效过程微观晶格动力学模型。对溶质浓度为14at％的二元立方点阵模型合金的共格沉淀粗化行为进行模拟。研究发现：该合金沉淀机制以形核长大为主，兼有失稳分解特征；由于共格失配，沉淀相为片状，趋于沿弹性软化方向排列。其粗化作为伴随过程进行，位于软方向上的颗粒继续长大和粗化，位于软方向外的颗粒逐渐消失；而位于同一行或列上的颗粒则遵循：小颗粒溶解，大颗粒长大。     

相场法模拟凝固过程中界面效应对晶粒形核的影响

采用连续相场模型对晶粒形核过程进行模拟,从动力学角度考虑,引入类似于纳米颗粒的界面效应,分析它对形核过程的影响;同时研究形核过程中晶核的析出、形核数目变化、晶界厚度变化以及晶核生长的特点。结果表明,界面效应为形核过程提供驱动力,促使晶核的快速长大;形核过程中晶核数目随时间逐渐增多,晶核尺寸逐渐增大,晶核生长速度较快,同时晶粒位向取向参数的变化反映了晶粒尺寸和晶界厚度的变化。     

Ni75Al5.5V19.5合金沉淀行为的微观相场模拟

利用微观相场方法模拟了Ni75Al5.5V19.5合金两种有序相D022和L12随温度变化时的不同沉淀过程.发现过冷度在相变驱动力中处于主导地位.高温下D022相首先析出,之后L1 2相在D022相和无序相的界面以及D022相形成的界面处析出,L1 2相长大时同时向无序基体和D022相推移;低温下L1 2相先析出,D022相在L1 2相的界面处形核长大,同时L1 2相通过失稳分解由非化学计量相向平衡相转变,其尺寸减小.该合金最终两相体积分数同时达到平衡并基本相等.随温度降低,L1 2相由高温时的非经典形核与失稳分解的混合机制向低温时的失稳分解转变;D022相的沉淀机制由非经典形核与失稳分解的混合机制向低温时的非经典形核转变.