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Ni-Cr-Al合金沉淀早期的微观相场模拟

作　者: 褚忠
导　师: 陈铮
学　校: 西北工业大学
专　业: 材料学
关键词: Ni-Cr-Al合金 微观相场模型 沉淀 原子图像 序参数 非经典形核长大 混合机制 失稳分解
分类号: TG146.15
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要


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L12相和D022相。随Cr含量增加，D022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；L12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，L12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，D022相逐渐消失。当Al、Cr含量都较高时，L12相和D022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，L12相和D022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L12相。随后，Cr原子在L12相有序畴界处偏聚，进一步沉淀出D022相。部分D022相在L12相内沉淀。温度升高，L12相体积分数增加，D022相体积分数减少。1373K时，首先以非经典形核机制同时沉淀L12和D022相，D022相逐渐缩小直至消失，最终形成单一L12相。Ni75Al25-xCrx合金中，Cr原子与Al原子同时发生有序化，共同占据L12相的β-格点，形成复合L12相(Ni3Al1-xCrx)。在L12相畴界，Cr原子逐步取代Al原子位置，最终形成D022相（Ni3Cr）。Ni75-xAl25Crx合金沉淀过程中，当Cr原子分数超过3％时，L12相内Cr原子在α-格点、β-格点占位几率接近极限值，在L12相相界Cr原子浓度逐步提高，形成D022相。在873K到1173K温度范围内，Ni-Cr-Al合金沉淀温度升高时，在L12相内的Cr原子在α-格点和β-格点的占位几率都提高，L12相体积分数增加，D022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），L12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，L12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。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-8
论文的主要创新与贡献  8-13
第1章 绪论  13-36
  1.1 引言  13-15
  1.2 材料科学中的模拟方法  15-16
  1.3 沉淀理论及其研究进展  16-22
    1.3.1 经典形核长大理论  17-18
    1.3.2 非经典形核长大理论  18
    1.3.3 形核、长大和粗化作为伴随过程的描述  18-20
    1.3.4 失稳理论  20-21
    1.3.5 统一理论的提出  21-22
  1.4 金兹堡—朗道相场动力学  22-26
    1.4.1 金兹堡—朗道理论(GL理论)  22-24
    1.4.2 连续体相场动力学模型(CH模型和AC模型)  24-25
    1.4.3 微观相场动力学模型  25-26
  1.5 合金沉淀过程研究进展  26-28
  1.6 本文主要研究内容和构架体系  28-29
  参考文献  29-36
第2章 微观相场动力学模型  36-46
  2.1 微观相场动力学模型简介  36
  2.2 模型的特点和优点  36-37
  2.3 模型的基本假设  37-38
  2.4 微观相场动力学数学模型  38-43
    2.4.1 微观相场基本方程  38-39
    2.4.2 三元体系微观相场扩散方程  39
    2.4.3 傅立叶空间中的微观Langevin方程  39-40
    2.4.4 平均场自由能  40-41
    2.4.5 四近邻原子间相互作用近似  41-42
    2.4.6 投影后的动力学方程  42-43
    2.4.7 热起伏的产生  43
  2.5 编程思路  43-45
  2.6 本章小结  45
  参考文献  45-46
第3章 不同成分的Ni-Cr-Al合金早期沉淀机制  46-85
  3.1 Ni-Cr-Al合金中热力学参数及其有序相结构  46-48
    3.1.1 Ni-Al合金系  46-47
    3.1.2 Ni-Cr和Al-Cr合金系  47
    3.1.3 Ni-Cr-Al合金系  47-48
  3.2 低Al含量合金早期沉淀机制  48-62
    3.2.1 Ni-11at.%Cr-7at.%Al合金沉淀过程  48-54
    3.2.2 Ni-14at.%Cr-7at.%Al合金沉淀过程  54-58
    3.3.3 Ni-18at.%Cr-7at.%Al合金沉淀过程  58-62
  3.3 低Cr含量合金早期沉淀机制  62-71
    3.3.1 Ni-7at.%Cr-9at.%Al合金沉淀过程  62-65
    3.3.2 Ni-7at.%Cr-13at.%Al合金沉淀过程  65-68
    3.3.3 Ni-7at.%Cr-18at.%Al合金沉淀过程  68-71
  3.4 高Cr、Al含量合金早期沉淀机制  71-79
    3.4.1 Ni-13at.%Cr-14at.%Al合金沉淀机制  71-75
    3.4.2 Ni-14at.%Cr-15.5at.%Al合金沉淀机制  75-79
  3.5 分析与讨论  79-83
    3.5.1 溶质原子浓度和合金沉淀机制关系  79
    3.5.2 两种有序相共存现象的讨论  79-81
    3.5.3 有序相畴界偏析  81-83
  3.6 本章小结  83
  参考文献  83-85
第4章 温度对合金早期沉淀机制的影响  85-116
  4.1 温度为973K时合金沉淀机制  85-88
  4.2 温度为1073K时合金沉淀机制  88-91
  4.3 温度为1173K时合金沉淀机制  91-94
  4.4 温度为1193K时合金沉淀机制  94-96
  4.5 温度为1203K时合金沉淀机制  96-98
  4.6 温度为1213K时合金沉淀机制  98-101
  4.7 温度为1223K时合金沉淀机制  101-104
  4.8 温度为1273K时合金沉淀机制  104-107
  4.9 温度为1323K时合金沉淀机制  107-109
  4.10 温度为1373K时合金沉淀机制  109-111
  4.11 分析与讨论  111-114
    4.11.1 温度对合金沉淀驱动力的影响  111-112
    4.11.2 平均成分偏离序参数和平均长程序参数的变化  112-113
    4.11.3 有序相体积分数的变化  113-114
  4.12 本章小节  114-115
  参考文献  115-116
第5章 合金沉淀过程中Cr原子的替代行为  116-146
  5.1 Ni_(75)Al_(25-x)Cr_x合金  116-129
    5.1.1 873K时Ni-5at.%Cr-20at.%Al合金  116-118
    5.1.2 Ni-7at.%Cr-18at.%Al合金  118-120
    5.1.3 Ni-10at.%Cr-15N.%Al合金  120-123
    5.1.4 Ni-13at.%Cr-12at.%Al合金  123-128
      5.1.4.1 原子图像和序参数变化  123-125
      5.1.4.2 L1_2相畴界占位几率变化  125-126
      5.1.4.3 L1_2相内占位几率变化  126-128
    5.1.5 Ni_(75)Al_(25-x)Cr_x合金中成分对替代规律的影响  128-129
  5.2 Ni_(75-x)Al_(25)Cr_x合金  129-134
    5.2.1 Ni-3at.%Cr-25at.%Al合金  129-131
    5.2.2 Ni-5.5at.%Cr-25at.%Al合金  131-133
    5.2.3 Ni_(75-x)Al_(25)Cr_x合金中Cr原子分数对替代行为的影响  133-134
  5.3 不同温度下Cr原子的替代行为  134-141
    5.3.1 原子图像演化  134
    5.3.2 Cr原子占位几率的变化  134-140
    5.3.3 有序相体积分数的变化  140-141
  5.4 分析与讨论:沉淀机制的连续转变  141-144
    5.4.1 替代中的热力学分析  141-143
    5.4.2 与实验结果的对照分析  143-144
  5.5 本章小节  144
  参考文献  144-146
第6章 分级时效对合金沉淀过程的影响  146-175
  6.1 1073K单级时效的沉淀过程  146-149
  6.2 二级时效的沉淀过程  149-159
    6.2.1 1323K中间处理+1073K时效的沉淀过程  149-152
    6.2.2 1323K中间处理+1123K时效的沉淀过程  152-154
    6.2.3 1323K中间处理+1173K时效的沉淀过程  154-157
    6.2.4 1273K中间处理+1073K时效的沉淀过程  157-159
  6.3 三级时效的沉淀过程  159-171
    6.3.1 温度为1323K+1173K+1033K的沉淀过程  159-162
    6.3.2 温度为1323K+1193K+1033K的沉淀过程  162-165
    6.3.3 温度为1338K+1193K+1033K的沉淀过程  165-168
    6.3.4 温度为1353K+1223K+1033K的沉淀过程  168-171
  6.4 分析与讨论  171-173
    6.4.1 二级时效时有序相体积分数的变化  171-172
    6.4.2 三级时效有序相体积分数的变化  172
    6.4.3 平均长程序参数变化  172-173
  6.5 本章小结  173-174
  参考文献  174-175
结论  175-177
攻读博士学位期间发表的论文  177-179
致谢  179-180

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属材料 > 有色金属及其合金 > 重有色金属及其合金 > 镍
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