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.     

第二相粒子形状对晶粒长大的元胞自动机仿真的影响

在正常晶粒长大元胞自动机模型的基础上添加圆形、正方形以及针形第二相粒子,并且对含有不同形状第二相粒子的晶粒长大过程进行仿真模拟和定量分析.模拟结果表明:第二相粒子对基体组织有钉扎作用,粒子面积分数越大,粒子总体钉扎作用越强;当第二相粒子面积分数较小时,针形第二相粒子的钉扎作用强于圆形和正方形第二相粒子;随着第二相粒子面积分数的增加,晶粒长大受第二相形状的影响逐渐减小;第二相粒子面积分数足够大时,不同形状的第二相粒子对晶粒长大的钉扎作用没有明显差别.     

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.     

相场法模拟多个空间取向的棒状第二相粒子对晶粒长大的影响

采用相场法研究多个空间取向的棒状第二相粒子以及圆形第二相粒子对基体晶粒长大的影响.结果表明:在晶粒长大过程中,绝大部分棒状第二相粒子位于晶界处并与晶界方向一致,圆形第二相粒子大多位于三晶交点处;第二相粒子表现出强烈的钉扎晶界的作用,极限晶粒半径可以用Zener关系表示;在第二相粒子面积分数和粒子尺寸相同的情况下,当第二相粒子面积分数较小(＜5%)时,棒状与圆形第二相粒子对晶粒长大的钉扎作用没有明显差别;当粒子面积分数较大(＞5%)时,棒状第二相的钉扎效果好于圆形第二相的钉扎效果.     

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。     

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     

相场法模拟球形和盘形第二相粒子对晶粒长大的影响

利用相场法模型,模拟研究含不同尺寸和面积分数的球形和盘形粒子的二维系统中晶粒的长大特征,揭示第二相粒子对晶粒长大的影响规律.结果表明:初始阶段晶粒长大符合长大指数n 为0.3～0.4的指数长大规律,其n与系统单位面积所含的粒子数量密切相关;晶粒长大过程中绝大多数粒子位于晶界处,其最终的平均晶粒半径可以用Zener关系表示;当粒子尺寸和面积分数一定时,粒子的形状对晶粒的长大过程没有明显影响.     

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.     

Stereological analysis of Zener pinning

Numerous models of Zener pinning in inhibited grain growth have been analysed from a stereological perspective. These analyses show that many differences among the models, such as the volume fraction exponent, are due to differences in assumed spatial location of the pinning particles. Including a stereological parameter describing the amount of contact between grain boundaries and particles yields a common volume fraction exponent of unity in essentially all models. A new general pinning criterion containing the degree of boundary contact parameter is derived.     

填料形状对Fe@Ag核壳复合粒子的电磁特性的影响

运用液相化学还原Ag技术,制备了球形和片形2种Fe@Ag核壳复合粒子.表征了这2种屏蔽填料的物相、表面形貌和化学组成,研究了其静磁性能,分析了填料的形状对复合材料的复磁导率、电导率和屏蔽效能等电磁特性的影响.结果表明:2种复合粒子均为核壳结构完整的Fe@Ag核壳复合粒子,其Ag壳层均匀且致密;球形和片形Fe@Ag核壳复合粒子均具有良好的软磁性能;与形状各向同性的屏蔽填料相比,以片形Fe@Ag核壳复合粒子为填料的电磁屏蔽复合材料的复磁导率更高,体积电阻率更低,该复合材料在电磁波频率范围为30—1500 MHz内的屏蔽效能(SE)为-51—-55 dB,优于以球形Fe@Ag核壳复合粒子为填料的电磁屏蔽复合材料.并且从理论上分析了片形Fe@Ag核壳复合粒子的电磁屏蔽复合材料对电磁波的吸收损耗更强和屏蔽效能更高的物理本质.     

Simulation of the influence of particles on grain structure evolution in two-dimensional systems and thin films

A two-dimensional front-tracking simulation of grain growth has been extended to treat the effects of particles on the evolution of grain structures during annealing. When grain boundaries come into contact with particles, boundary motion is assumed to be pinned. It is found that even a small volume fraction of particles retards grain growth, lowers the ultimate average grain size, and leads to significant changes in the grain-size and number-of-sides distributions. These changes differ in detail from the changes in the grain-size distribution predicted using the Potts model. The changes in the nature of the grain-size distribution are explained by considering the topology of the evolving and of the stagnant grain structures. The average grain size in the stagnant structure scales with the number of particles in a way consistent with a scaling with area fraction of the particles to the power 0.46, in near agreement with the expected dependence from a Zener-pinning analysis in two dimensions. Particle pinning is also simulated in conjunction with the effects of other mechanisms impeding grain growth such as solute drag or grain boundary grooving. In this case it is found that the stagnant grain-size distribution is determined by the competing stagnation forces, and that the Zener-pinning analysis is not obeyed and must be modified.     

析出相质点对取向硅钢二次再结晶的影响

基于Humphreys回复、再结晶和晶粒长大统一理论,研究了析出相质点的Zenner钉扎对Fe-3%Si取向硅钢二次再结晶的影响.比较了一般取向硅钢(CGO)和高磁感取向硅钢(HGO)的晶粒尺寸、晶界参数以及析出相质点的Zenner钉扎因子.结果表明,高斯晶粒与普通晶粒相比没有明显的尺寸优势,具有强烈高斯织构的HGO在晶界能和晶界活动性上与CGO的差异非常小,二者具有相近的临界Zenner因子;但HGO中析出相质点更为细小和弥散,其Zenner因子是CGO的2.8～5.0倍,因此HGO中Zenner因子更大,其高斯晶粒更容易率先达到临界条件而发生二次再结晶,从而在二次再结晶后具有更强的高斯织构.     

Al-Zn-Mg-Cu合金第二相粒子及其无析出区与晶界的作用过程研究

制备一种含Sc和一种含Cr、Mn、Ti、Zr的Al-Zn-Mg-Cu合金,采用透射电镜研究合金中第二相粒子周围的无析出微区和晶界上的无沉淀析出带及其相互的作用过程,给出单个第二相粒子对晶界作用力的方程.当驱使晶界迁移的动力大于粒子及其周围的无析出微区对晶界的阻碍作用时,晶界被粒子穿透而形成孔洞.在晶界扫过粒子的过程中,经历了先加速后减速两个阶段.晶界位于粒子直径区位置时所受的阻力最小、运动速度最大.当晶界能与相界能增量之和等于晶界运动的驱动力时,晶界被粒子钉扎而停止运动.在晶界迁移的过程中,溶质原子倾向于由高浓度区域向低浓度区域扩散,晶界和粒子周围的无析出区对晶界的迁移过程有明显的影响.     

Experimental and simulation studies on grain growth in TiC and WC-based cermets during liquid phase sintering

The grain growth behaviors of TiC and WC particles in TiC-Ni, TiC-Mo₂C-Ni, WC-Co and WC-VC-Co alloys during liquid phase sintering were investigated for different Ni or Co contents and compared with the results of Monte Carlo simulations. In the experimental study, TiC-Ni and WC-Co alloys had a maximum grain size at a certain liquid volume fraction, while the grain size in TiC-Mo₂C-Ni and WC-VC-Co alloys increased monotonically with an increasing liquid volume fraction. These results mean that the grain growth of these alloys cannot be explained by the conventional mechanisms for Ostwald ripening, namely diffusion or reaction controlled processes. Monte Carlo simulations with different energy relationships between solidliquid interfaces predicted the effect of the liquid volume fraction on grain size similar to the experimental results. The contiguous boundaries between solid (carbide) particles appear to influence the grain growth behavior in TiC- and WC-based alloys during liquid phase sintering.     

Modification of computer simulation of normal grain growth

A set of principles on transition probability was supplied for the physical process of grain growth. In accord with these principles, a modified transition probability considering the influence of temperature was put forward to simulate the normal grain growth relying on temperature and second phase particles. The modified transition probability correctly reflects the dependence of grain growth on the temperature. The effect of different shapes of second phase particles on the grain growth process was taken into account using the modified transition probability. The relationship between the area fraction of second phase particles and the limit of grain size of the matrix was given. The microstructural evolution patterns employed to 2-D were given. The results agree well with the real grain growth process. All these suggest that the modified transition probability is better than the conventional one.     

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.