Mo粉末烧结过程的相场模拟

采用相场法模拟了表面扩散和晶界扩散机制共同作用下的四球模型和五球模型中Mo粉末压坯微粒间烧结颈长大以及孔隙的演化过程。数值模拟引入了Cahn-Hillard(CH)方程控制的相对密度场和Ginzburg-Laudau(TDGL)方程控制的长程取向场参量,并采用半隐傅立叶谱方法对上述方程进行了求解。模拟结果表明,表面扩散是Mo粉末烧结过程的主导扩散机制;压坯致密度越高,烧结完成的时间越短。     

采用相场法研究多相粉末的烧结过程（英文）

针对多相粉末体系,建立描述其烧结过程的相场模型。在该模型中,界面由不同成分的各相混合组成,通过热力学平衡确定界面中各相的成分;除了体扩散之外,也同时考虑了界面扩散和表面扩散。所建的模型被应用到Fe-Cu粉末的烧结过程。结果表明,该模型能够定量地描述烧结过程中的微观组织演变以及溶质扩散等现象。     

相场法模拟两相多孔组织烧结

建立了新的模拟两相多孔材料烧结过程的相场模型,采用Cahn-Hillard方程和Allen-Cahn方程来控制相对密度场和长程取向场的变化,通过分析相场方程的特点,对模型进行数学处理得到一组相场模型的唯象系数,建立了原子扩散系数与晶界扩散、表面扩散和体积扩散的函数关系式.模拟结果表明:该模型能够有效地模拟两相多孔材料的烧结过程,通过分析模拟图像可以很好地观察到两相多孔材料的微观组织演化过程.     

UN核燃料烧结致密化过程的相场模拟EI北大核心CSCD

引入了平移和旋转等作用过程,建立了烧结致密化过程的相场模型,分析了平流通量刚体运动对烧结颈的形成、平衡二面角和烧结致密化过程的影响。模拟结果表明,引入平流通量刚体运动在烧结初期加快了烧结颈的形成,而在烧结后期作用不明显;烧结相场模型中是否引入平流通量不影响晶界平衡二面角的取值;致密化过程的气孔收缩分为3个阶段,分别是烧结初期的表面扩散主导阶段、平流通量取代表面扩散的阶段和致密化完成阶段;增大平移迁移率能加快致密化过程、增加致密化程度,但超过一定阈值后其作用达到饱和;颗粒完成致密化收缩后会形成稳定的三叉晶界(夹角120°),多晶UN烧结模拟形貌演化中三叉晶界的形成和气孔收缩致密化的行为与实验结果一致。     

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。     

低体积分数相析出过程的相场模拟

通过构建局域自由能函数,并考虑晶界对析出过程的影响,建立了低体积分数相析出过程的相场模型,模拟了溶质体积分数为2%的体系中第二相在晶界和晶内析出及其演变过程.结果表明,在相同相场步条件下,晶粒空间矢量平方和的幂指数项(∑(η)2)μ决定了第二相在晶界和晶内的析出比例;晶内析出相的比例随μ值的减小而增加;析出相尺寸的大小取决于浓度场梯度能系数к(ζ)值的高低;μ=1或较大к(ζ)时,析出相全部集中于晶界上.     

合金微结构的微观相场法模拟

基于相场法理论,详细介绍了二元及三元合金体系的微观相场法动力学模型。指出了在微结构模拟研究方面,微观相场动力学模型具有的独特优越性:该模型可基于原子层面研究合金的沉淀机制;获得清晰、直观的原子显微形貌;描绘出合金的有序化、成分簇聚等过程,并能清晰地模拟出三元合金中原子的替代规律。同时,阐述了相场法在二元、三元合金微结构模拟研究中的应用和发展。     

合金微结构的微观相场法模拟

摘 基于相场法理论，详细介绍了二元及三元合金体系的微观相场法动力学模型。指出了在微结构模拟研究方面，微观相场动力学模型具有的独特优越性：该模型可基于原子层面研究合金的沉淀机制：获得清晰、直观的原子显微形貌；描绘出合金的有序化、成分簇聚等过程，并能清晰地模拟出三元合金中原子的替代规律。同时，阐述了相场法在二元、三元合金微结构模拟研究中的应用和发展。     

金属凝固过程中热动力学相场模型——相场变量扩散模型的推导

相场方程用于模拟枝晶生长,已有近20年的历史.现有的相场方程是直接通过Ginzburg-Landau方程导出的,虽然得到了广泛应用,但方程中各个变量物理意义并没有搞清,国内外研究者甚至都作了许多错误的解读.本文以固相率作为相场变量,在坚实的热力学、传热学基础理论上,给出了金属凝固过程中科学严谨的相变量扩散模型及其推导过程.     

气孔与晶界相互作用的相场模拟

对现有的气孔与晶界相互作用的相场模型进行改进,提出了新形式的自由能密度函数,并采用了张量形式的扩散系数。分析了相场模型中唯象参数的选择依据,并讨论了模型中界面能和界面宽度等物理参数的影响因素。气孔和晶界相互作用的相场模拟结果表明:晶界的曲率是晶界移动的动力,而气孔是晶界移动的阻力;当气孔施加的最大阻力大于等于晶界移动的动力时,气孔会随晶界一起运动;而当气孔施加的最大阻力小于晶界移动的动力时,气孔与晶界分离。若气孔与晶界未发生分离,体系的演化将由晶界主导转变为气孔主导,演化速率显著下降。含气孔UO₂多晶体系的晶粒生长的相场模拟结果表明:气孔率越大,晶粒生长速率越慢;UO₂平均晶粒直径与时间成幂函数关系,幂指数随气孔率的增大而增大。     

晶界位错发射与湮没过程的晶体相场模拟

采用晶体相场模型模拟位向差为7.70°的对称倾侧晶界位错在外加应力作用下的运动形式和演化过程;计算位错分离的激活能,并从能量变化角度分析位错运动过程中发生的分解、湮没和合并机制;分析该对称倾侧晶界在外力作用下晶界湮没过程不同特征阶段的差异。结果表明,晶界的湮没存在不同的特征阶段,主要阶段如下:位错的攀移,位错的分解与滑移,位错湮没;位错的再攀移与位错再分解、再湮没,或者出现了若干短暂的新阶段,如滑移位错与晶界上其他位错发生合并而被晶界吸收,或者滑移位错与另一滑移位错在晶内发生合并形成新位错组,或者滑移位错与另一滑移位错发生湮没消失。晶界上全位错的分解实质是产生了一对新的符号相反的柏氏矢量;分位错在晶界上的湮没或合并实质是分位错与晶界上的全位错形成的一对符号相反的柏氏矢量发生抵消;分位错与分位错在晶粒内部的湮没消失,其实质是2个分位错之间的2对符号完全相反的位错柏氏矢量相互抵消。     

晶界扩散对Ti-6Al-4V中α 相溶解的相场模拟

晶界作为溶质的快速扩散通道,在扩散控制的相变过程中起着重要作用。为了探索晶界扩散作用下的相变过程,本文将晶界扩散耦合到定量的扩散控制相场模型,研究了Ti-6Al-4V合金多晶体系中的晶界数量、α相的空间分布和尺寸分布等对α相溶解的影响。研究结果表明：晶界是溶质扩散的快速通道,晶界边数越多,α相溶解速度越快,即当α相位于三岔点时,α相溶解最快。而α相位于晶界上和α相均匀分布基体中时,两种情况下的α相溶解速度差别较小。与二维条件下α相溶解速度相比,三维条件下的晶界扩散对α相溶解的影响更加显著;当相变以溶质的体扩散为主时,α相的空间分布是影响α 相溶解的主要因素之一;但当相变以溶质的晶界扩散为主时,除了均匀尺寸分布外,其它尺寸分布对α 相溶解影响不显著。     

相场法模拟Cu-Ag合金时效过程中组织演变

基于相场方法,模拟研究了Cu-20和40 at%Ag合金在等温时效过程中相分解与微观组织的演变.系统自由能中耦合了体化学能、浓度梯度能和共格错配应变能,化学自由能是直接利用相图热力学数据计算得到的,因此,计算的微结构变化与真实合金系统是相对应的.通过模拟,获得了合金的形态和浓度分布随时间、温度和组分的变化规律.模拟结果表明,对称合金(Cu-40at%Ag)分解和粗化的速度均高于相应的非对称合金,其相分离的早期阶段形成规则的、相互连接的微观形态.在Cu-20at% Ag合金中,沉淀相Ag经历了调幅分解和粗化过程,其形态呈立方状,沿[110]方向排列.     

相场参数对多元合金凝固过程影响的相场法模拟

利用由二元合金相场模型扩展获得的多元合金相场模型,以Fe-C-P合金为例,研究了各向异性系数和过冷度对合金凝固过程的影响.结果表明:随着各向异性系数的增大,二次枝晶越来越发达,枝晶尖端生长速度增大,且尖端速度波动的幅值增大;随着过冷度的增大,枝晶形貌更成熟,枝晶尖端的曲率半径减小,而枝晶尖端的生长速度呈线性增长趋势,溶质扩散层厚度减小,相应地溶质梯度增大.     

AlB2成相过程中的反应扩散

采用扩散偶法研究了原位烧结过程中AlB2的形成过程及成相控制环节。扩散实验表明:铝的扩散能力远大于硼的扩散能力,Al-B体系成相主要是通过Al向B扩散实现的;Al-B可以在固-固态和液-固态下发生反应生成AlB2相;固-固态下,相互接触的Al和B通过原子间相互扩散在接触处形成固溶活化区,AlB2相便在该活化区内形成。固-固态下控制Al-B反应发生的因素是Al原子穿越反应产物的扩散能力;液-固态下控制Al-B发生反应的因素是熔融态Al对固相产物的润湿性。     

合金沉淀过程相场法模拟研究进展

通过简单介绍研究合金的一些方法,综述了相场法的界面模型、动力学模型、常用的求解方法以及目前国内外运用微观相场法模拟合金沉淀过程的研究进展,提出了微观相场模型在模拟合金沉淀机制中的一些成功及不足之处,以及今后的研究方向.     

相场方法模拟AZ31镁合金的静态再结晶过程

为了获得合金静态再结晶前的变形晶粒组织,应用网格畸变模型与相场模型结合,生成变形合金再结晶前的初始晶粒组织;针对合金不同变形区域的特征和体系储存能分布不均匀的特点,分别引入反映不同变形区域的储存能分布的权重因子和变形区域的特征状态因子,构造多状态的非均匀自由能密度函数.在此基础上,应用相场动力学方程模拟了AZ31镁合金的静态再结晶过程的微结构演化,系统地分析了再结晶转变动力学曲线和Avrami曲线,以及储存能释放规律和再结晶晶粒尺度分布.模拟得到的动力学规律符合JMAK理论,所得的Avrami曲线可近似看成一条直线,对应于真应变ε=0.25,0.50,0.75和1.00,该直线的平均斜率分别为2.45,2.35,2.19和2.15.Avrami时间指数随变形量的增加而降低.变形程度大的合金,储存能释放的速度快,完成静态再结晶所需的时间短.基于本文提出的模型,结合相场方法计算模拟所得的结果与已有的理论结果和实验结果符合良好.     

金属增材制造的相场模拟现状及展望

金属增材制造涉及传热与传质、相变、晶粒生长、熔体流动等多个复杂物理过程,实现其微结构演变的定量模拟难度大。相场法采用序参量描述气/液/固相、晶粒形状/取向等复杂微结构,且能直接引入描述各物理过程的场变量(如浓度、温度、熔体流速等),在金属增材制造过程微结构模拟方面显示出巨大优势。本文简要介绍了相场法的发展和分类,归纳了不同相场模型的特点,详细综述了不同相场模型在金属增材制造凝固过程中微结构演化模拟的研究进展,重点探讨了不同相场模型在金属增材制造领域应用的优势与局限性。最后,展望了相场法在金属增材制造领域的应用前景,并指出其发展方向。     

相场法模拟铝合金凝固过程的枝晶演变

本文基于Ginzberg-Landau理论,发展了一个改进的二元合金相场模型.并利用该相场模型与溶质场进行耦合计算,以Al-4.5%Cu合金为例模拟了二元合金等温凝固的枝晶演变过程.实现了逼真地模拟二元合金凝固过程的等轴枝晶演变,得到了二次或更高次晶臂生长等复杂的枝晶形貌.溶质场分布由枝晶生长过程所决定,枝晶初生晶臂中心的溶质浓度最低,在被二次晶臂包围的界面区域的溶质浓度最高;固溶界面区域具有较大的溶度梯度,其中枝晶尖端的梯度最大.相场法模拟计算得到的Peclet数的值与Lvantsov理论计算值吻合较好,从而验证计算结果的正确性.     

反应烧结制备多孔TiB2-TiC复相陶瓷

通过反应烧结制备TiB2-TiC多孔复合材料.采用XRD和SEM分析该多孔复合材料的相组成和微观结构,并采用气体透过法测定多孔复合材料的相对透气系数和最大孔径.结果表明:制备的TiB2-TiC陶瓷复合材料中存在大量的连通孔隙,随烧结温度的升高,烧结体的密度增大、抗弯强度增强,而孔隙度、透气性和最大孔径均逐渐减小;当烧结温度为1 700 ℃时,所制备的多孔复合材料孔隙度为30.9%,相对透气系数达到0.7 mm/(Pa·s),最大孔径达到5 μm.