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镍基合金沉淀过程的含畸变能微观相场模拟

作　者: 卢艳丽
导　师: 陈铮
学　校: 西北工业大学
专　业: 材料学
关键词: 微观相场弹性畸变能沉淀合金粗化机制序参数弹性“软”方向
分类号: TG146.15
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

基于微观弹性理论和微观相场动力学模型，开发出了包含弹性畸变能的微观相场软件，可用于镍基模型合金、二元和三元镍基合金原子层面沉淀全过程的模拟，比忽略畸变能的微观相场方法更接近真实。通过对镍基模型合金的研究发现：畸变能为零时，粗化过程遵循LSW粗化机制；畸变能较大时，粗化过程遵循沿弹性“软”方向长大和粗化的位向控制机制；中等畸变能时，粗化过程遵循以颗粒尺寸大小和位向共同决定的混合粗化机制。针对镍基模型合金、二元Ni-Al合金、三元Ni-Cr-Al合金早期沉淀过程的研究发现，在相同的时间步长，弹性畸变能越大，沉淀相内的浓度分布起伏越小，达到平衡时浓度曲线的凸起部分越窄，曲线分布更加弥散，说明弹性畸变能越大，对沉淀相析出和长大的阻碍作用越明显。考虑弹性畸变能的高浓度Ni-Al合金，其沉淀过程中存在有明显的等成分有序化阶段，而忽略弹性畸变能的合金沉淀机制没有等成分有序化阶段。考虑畸变能后其γ′相沉淀机制为等成分有序化+失稳分解。模拟结果显示：不同浓度Ni-Al合金沉淀后期，γ′相之间通过聚集存在不同的聚集模式。低浓度合金沉淀后期，γ′相之间彼此之间互相独立；中间浓度合金沉淀后期，γ′相之间通过聚集形成四种类型的“分裂”模式：L-状，双透镜状，三重组结构和四重组结构；高浓度合金沉淀后期，γ′相之间的聚集模式主要以双透镜状为主。二元Ni-Al合金在较小的体积分数下，粗化速率常数随体积分数的增大而减小；中等体积分数下，粗化速率常数随体积分数的变化不明显；较大体积分数下，粗化速率常数随体积分数的增大而增大。研究发现畸变能对三元Ni-Cr-Al合金中共格的Ll₂相和DO₂₂相的析出动力学影响相似。低铝浓度合金的DO₂₂相的粗化速率时间指数大于Ll₂相的，高铝浓度合金反之，中间铝浓度合金，DO₂₂相合Ll₂相析出粗化速率时间指数接近。随着Al浓度的增大，Ni-Cr-Al合金沉淀过程中Ll₂相的析出越来越容易，其沉淀机制也由非经典形核长大机制过渡到等成分有序化+失稳分解机制；而DO₂₂相的析出越来越困难，其沉淀机制由失稳分解机制过渡到非经典形核长大机制。针对二元Ni-Al合金、三元Ni-Cr-Al合金粗化过程的研究发现，它们的粗化过程均遵循由颗粒尺寸大小和位向共同决定的混合粗化机制。沉淀相形貌由初始时的不规则状随机分布逐渐转化为周边圆滑的长方块状，沿弹性“软”方向（[100]和[001]）规则分布，形成具有高度择优取向的微观组织。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
论文的主要创新与贡献  8-15
第1章绪论  15-35
  1.1 引言  15
  1.2 合金沉淀过程中的弹性畸变能  15-20
    1.2.1 弹性畸变能作用下沉淀相形貌的研究  15-17
    1.2.2 弹性畸变能对相变热力学的影响  17
    1.2.3 弹性畸变能对相变动力学的影响  17-20
  1.3 合金沉淀过程原子层面的计算机模拟  20-23
  1.4 镍基合金沉淀过程研究进展  23-26
  1.5 本文研究内容及构架体系  26-27
  参考文献  27-35
第2章含弹性畸变能的微观相场动力学模型  35-59
  2.1 引言  35
  2.2 微观弹性理论  35-38
  2.3 微观相场动力学模型  38
  2.4 模型的基本假设  38-39
  2.5 二元体系含畸变能的微观相场动力学模型  39-46
    2.5.1 微观相场方程  39-40
    2.5.2 微观朗之万(Langevin)方程  40
    2.5.3 傅立叶空间中的微观朗之万方程  40
    2.5.4 应用到f.c.c晶格  40-42
    2.5.5 三维f.c.c晶格的二维投影动力学  42-44
    2.5.6 无量纲形式的动力学方程  44-45
    2.5.7 热起伏的产生  45
    2.5.8 微扩散方程与连续扩散方程的关系  45-46
  2.6 三元体系含畸变能的微观相场动力学模型  46-51
    2.6.1 三元体系微观相场扩散方程  47
    2.6.2 傅立叶空间中的微观Langevin方程  47-48
    2.6.3 平均场自由能  48-50
    2.6.4 四近邻原子间相互作用近似  50
    2.6.5 投影后的最终动力学方程  50-51
  2.7 模型的特点和优点  51-52
  2.8 镍基模型合金  52-53
  2.9 二元Ni-Al合金  53-54
  2.10 三元Ni_(75)Cr_(25-x)Al_x合金  54-56
  2.11 编程思路  56
  2.12 本章小结  56-57
  参考文献  57-59
第3章弹性畸变能对镍基模型合金沉淀机制的影响  59-82
  3.1 引言  59
  3.2 弹性畸变能对低浓度镍基模型合金沉淀机制的影响  59-67
    3.2.1 B~*=0.0时C_0=12at.%溶质原子合金的沉淀机制  59-62
    3.2.2 弹性畸变能对C_0=12at.%溶质原子合金沉淀机制的影响  62-67
  3.3 弹性畸变能对中浓度镍基模型合金沉淀机制的影响  67-74
    3.3.1 B~*=0.0时C_0=25at.%溶质原子合金的沉淀机制  67-70
    3.3.2 弹性畸变能对C_0=25at.%溶质原子合金沉淀机制的影响  70-74
  3.4 弹性畸变能对高浓度镍基模型合金沉淀机制的影响  74-80
    3.4.1 B~*=0.0时C_0=40at.%溶质原子合金的沉淀机制  74-77
    3.4.2 弹性畸变能对C_0=40at.%溶质原子合金沉淀机制的影响  77-80
  3.5 本章小结  80-81
  参考文献  81-82
第4章弹性畸变能对镍基模型合金粗化过程的影响  82-111
  4.1 引言  82
  4.2 弹性畸变能对低浓度镍基模型合金粗化的影响  82-90
    4.2.1B~*=0.O时C_0=12at.%溶质原子合金粗化的研究  82-84
    4.2.2 B~*=0.37时C_0=12at.%溶质原子合金粗化的研究  84-88
    4.2.3 B~*=1.36时C_0=12at.%溶质原子合金粗化的研究  88-90
  4.3 弹性畸变能对中浓度镍基模型合金粗化的影响  90-97
    4.3.1 B~*=0.0时C_0=25at.%溶质原子合金粗化的研究  90-92
    4.3.2 B~*=0.37时C_0-25at.%溶质原子合金粗化的研究  92-95
    4.3.3 B~*=1.36时C_0=25at.%溶质原子合金粗化的研究  95-97
  4.4 弹性畸变能对高浓度镍基模型合金粗化的影响  97-104
    4.4.1 B~*=0.0时C_0=40at.%溶质原子合金粗化的研究  97-99
    4.4.2 B~*=0.37时C_0=40at.%溶质原子合金粗化的研究  99-101
    4.4.3 B~*=1.36时C_0=40at.%溶质原子合金粗化的研究  101-104
  4.5 畸变能很高时沉淀相形貌的研究  104-106
  4.6 与相关实验结果的对比  106-109
  4.7 本章小节  109
  参考文献  109-111
第5章 Ni-Al合金沉淀早期含畸变能的微观相场研究  111-137
  5.1 引言  111
  5.2 低浓度合金沉淀早期含畸变能的微观相场模拟  111-118
    5.2.1 Ni-9.0at.%Al合金早期沉淀机制  111-116
    5.2.2 Ni-10.5at.%Al合金早期沉淀机制  116-118
  5.3 高浓度合金沉淀早期含畸变能的微观相场模拟  118-121
    5.3.1 Ni-16.5at.%Al合金早期沉淀机制  118-120
    5.3.2 Ni-17.8at.%Al合金早期沉淀机制  120-121
  5.4 中浓度合金沉淀早期含畸变能的微观相场模拟  121-125
    5.4.1 Ni-14.0at.%Al合金早期沉淀机制  121-123
    5.4.2 Ni-15.5at.%Al合金早期沉淀机制  123-125
  5.5 与忽略弹性畸变能的对比  125-135
    5.5.1 与低浓度忽略弹性畸变能的对比  126-129
    5.5.2 与高浓度忽略弹性畸变能的对比  129-132
    5.5.3 与中浓度忽略弹性畸变能的对比  132-135
  5.6 本章小节  135-136
  参考文献  136-137
第6章 Ni-Al合金粗化过程含畸变能的微观相场研究  137-162
  6.1 引言  137
  6.2 Ni-10.5at.%Al合金粗化过程  137-141
  6.3 Ni-15.0at.%Al合金粗化过程  141-144
  6.4 Ni-17.8at.%Al合金粗化过程  144-147
  6.5 浓度对沉淀相形貌的影响  147-152
  6.6 体积分数对粗化速率常数的影响  152-153
  6.7 弹性约束系统中的杠杆定律  153-154
  6.8 与忽略弹性畸变能及相关实验的对比  154-158
    6.8.1 与忽略弹性畸变能的对比  154-155
    6.8.2 与相关实验的对比  155-158
  6.9 本章小节  158-159
  参考文献  159-162
第7章 Ni_(75)Cr_xAl_(25-x)合金沉淀早期含畸变能的微观相场研究  162-196
  7.1 引言  162
  7.2 低铝浓度合金沉淀早期含畸变能的微观相场模拟  162-172
    7.2.1 Ni_(75)Cr_(19.0)Al_(6.0)合金沉淀过程  162-166
    7.2.2 Ni_(75)Cr_(18.5)Al_(6.5)合金沉淀过程  166-169
    7.2.3 Ni_(75)Cr_(18.0)Al_(7.0)合金沉淀过程  169-172
  7.3 中铝浓度合金沉淀早期含畸变能的微观相场模拟  172-179
    7.3.1 Ni_(75)Cr_(17.0)Al_(8.0)合金沉淀过程  172-174
    7.3.2 Ni_(75)Cr_(16.5)Al_(8.5)合金沉淀过程  174-176
    7.3.3 Ni_(75)Cr_(16.0)Al_(9.0)合金沉淀过程  176-179
  7.4 高铝浓度合金沉淀早期含畸变能的微观相场模拟  179-186
    7.4.1 Ni_(75)Cr_(14.5)Al_(10.5)合金沉淀过程  179-181
    7.4.2 Ni_(75)Cr_(12.0)Al_(13.0)合金沉淀过程  181-184
    7.4.3 Ni_(75)Cr_(10.0)Al_(15.0)合金沉淀过程  184-186
  7.5 与忽略弹性畸变能的对比  186-194
    7.5.1 与低铝浓度合金忽略弹性畸变能的对比  186-189
    7.5.2 与中铝浓度合金忽略弹性畸变能的对比  189-191
    7.5.3 与高铝浓度合金忽略弹性畸变能的对比  191-193
    7.5.4 两种有序相共存现象的讨论  193-194
  7.6 本章小节  194-195
  参考文献  195-196
第8章 Ni-Cr-Al合金粗化过程含畸变能的微观相场研究  196-214
  8.1 引言  196
  8.2 Ni_(75)Cr_(19.0)Al_(6.0)合金粗化过程的研究  196-201
  8.3 Ni_(75)Cr_(17.0)Al_(8.0)合金粗化过程的研究  201-206
  8.4 Ni_(75)Cr_(14.5)Al_(10.5)合金粗化过程的研究  206-211
  8.5 与忽略弹性畸变能的对比  211-212
  8.6 本章小节  212-213
  参考文献  213-214
结论  214-216
攻读博士学位期间发表的论文及奖励  216-221
致谢  221-222

镍基合金沉淀过程的含畸变能微观相场模拟

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