再结晶和外力场下第二相析出的相场法模拟

在讨论相场法模拟基本方程的基础上,提出了晶界范围宽度的新概念,解释了相场模拟模型中有序化参数梯度范围的物理意义,论证了晶界范围不是晶界原子错排的宽度,而是界面能和界面元素偏析存在范围的观点.建立了一个模拟合金再结晶的相场模型,提出了一系列法则来获得模型中各参数的物理真实值,以AZ31镁合金为例,实现了再结晶过程晶粒长大的真实时间和空间的模拟,通过与试验数据的对比证明了模型的有效性.此外,还列举了相场法模拟Ti-25Al-10Nb合金中O相在外力场作用下析出过程的一系列有趣的新结果,讨论了外力场对第二相析出的重要影响和机理以及模拟结果对合金开发潜在的重要指导意义. 关键词： 相场法 再结晶 析出 外力场     

两相钛合金再结晶退火组织与织构演变的蒙特卡罗模拟

蒙特卡罗(MC)方法被广泛应用于模拟金属材料在退火过程中的静态再结晶行为. 在已有两相材料晶粒长大MC模型基础上, 引入形核阶段, 综合考虑再结晶晶粒吞并形变晶粒和再结晶晶粒竞争长大两种情况, 建立了退火时两相合金再结晶MC模型.结合电子背散射衍射所测 初始晶粒形貌、相成分、晶体学取向及应变储能相对值, 该模型被应用于TC11钛合金退火过程中的微观组织及织构演变模拟.结果表明, 所建模型能够较好体现退火过程中两相晶粒的形核及晶粒长大行为. 与β相相比较, α相具有较低的再结晶速率和较高的晶粒长大速率, 前者主要归结于α相较低的初始应变储能, 后者则体现了该条件下初始组织形貌、分布及两相比例对晶粒长大具有重要影响; 由于非均匀形核的影响, 模拟得到的再结晶速率变化与 假设均匀形核的Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov 再结晶方程存在明显差异.同时, 两相的基本织构特征在退火过程中无明显变化, 但织构强度增加. 关键词： 两相钛合金 再结晶 蒙特卡罗方法 织构     

金属基复合材料原位反应相场模型

原位反应法制备金属基复合材料具有增强体与基体间无杂质、无污染、颗粒分布均匀等优点,已成为制备金属基复合材料的一种重要方法,揭示其动力学机制及规律具有重要的理论及工业价值.然而,原位反应过程具有反应时间短、随机发生、温度高等特点,目前采用原位实验观测其反应过程仍存在较大困难.本文采用相场法模拟金属熔体内的原位反应过程,首先建立了能够描述双束金属熔体界面反应形核的相场模型,并采用该模型模拟了不同参数下相界反应形核过程.结果表明,形核率随着曲率半径及噪声强度的增大而增大,小曲率半径及强噪声条件下新相颗粒尺寸分布更加均匀,形核率随着过冷度的增大而先增大后减小.     

相场模型及其在电化学储能材料中的应用

随着计算机技术的快速发展,计算研究在探究材料体系微结构演化方面展示出巨大的优势.作为材料动力学的一种计算研究方法,相场模型不仅可以避免复杂的界面追踪,而且便于处理各类外场因素,因而受到广泛关注.藉此本文介绍了相场模型的理论框架以及目前主流的多元多相系相场模型:Carter模型, Steinbach模型和Chen模型,并从相场变量的解释、耦合热力学数据库的方式、体系自由能密度的构建方式以及演化方程等方面对上述三个模型进行了系统地概括和比较.进一步,聚焦于相场模型在各向异性输运和相分离、弹性和塑性变形、裂纹扩展和断裂、枝晶生长机制等方面的应用,系统展示了相场模型在描述电化学储能材料微结构演化以及改进其性能方面的巨大潜力.最后,从相场模型的理论改进和应用拓展两个方面,讨论并展望了电化学储能材料相场模拟的未来发展方向和亟待解决的关键问题.     

噪声对均质形核过程影响的晶体相场法研究

采用晶体相场模型,模拟了有色噪声诱发的均质形核过程. 结果表明,噪声强度在一定范围内对系统平衡热力学参量、形核势垒、临界晶核尺寸影响甚微; 而对形核孕育时间影响较大,形核孕育时间随噪声强度的增大呈指数减小趋势. 进一步分析表明,噪声对形核孕育时间的影响主要是由于噪声的引入改变了原子动力学系数.     

非晶一次晶化过程微观组织演化和生长动力学的相场法研究

在晶化物理模型中添加扩散系数对晶化过程的影响, 采用相场方法研究初始形核率和初始形核半径对一次晶化过程中微观组织和生长动力学的影响。结果表明: 随着初始形核率的增加, 相同时间内非晶一次晶化的晶粒数量逐渐增加, 晶粒尺寸逐渐减小。晶化分数随着演化时间和初始形核率的增加逐渐增大, 初始形核率越大, 相同演化时间内的晶化分数越高。不同初始形核半径情况下, 非晶一次晶化过程中的晶粒数量和尺寸随着演化时间的增加基本保持不变。晶化分数随着演化时间的增加而增大。不同初始形核率和初始形核半径情况下所对应的生长指数均小于1, 表明初始形核率和初始形核半径对晶化方式无影响, 均为一次晶化。改变初始形核率和初始形核半径可调控一次晶化微观组织结构, 而晶粒尺寸及晶化分数直接关系到合金性能。     

相场法模拟弹性场对沉淀相变组织演化及相平衡成分的影响

采用相场法模拟沉淀组织在不均匀共格本征弹性场及外加约束弹性应变作用下的演化历程，探讨了不均匀共格本征弹性场及外加约束弹性应变对共格沉淀组织演化的影响规律，并分析了弹性场在沉淀相变中对基体与沉淀相的平衡成分的影响. 关键词： 相场法 沉淀组织 弹性场 相平衡成分     

Ni75Cr25-xAlx合金中L12相和D022相形核孕育期的微观相场模拟

基于微观相场动力学模型,运用原子图像、平均长程序参数和平均成分偏离序参数,研究了Al浓度对Ni75Cr25-xAlx合金中L12相和D022相形核孕育期的影响以及孕育期与沉淀相析出顺序之间的关系.结果表明,L12相和D022相的形核孕育期不仅与Al浓度有关,而且与两相析出的先后顺序密切相关.当Al浓度小于7.5%时,先析出相为D022相,随着Al浓度的增大,D022相形核孕育期延长,后析出的L12相的形核孕育期也延长,L12相的原子簇聚速度加快;当Al浓度大于7.5%时,先析出相为L12相,随着Al浓度的增大,L12相的形核孕育期缩短,后析出的D022相形核孕育期也缩短.当Al浓度为7.5%时,L12相和D022相几乎同时析出,两者的孕育期没有明显的差别.     

不同衬底条件下石墨烯结构形核过程的晶体相场法研究

利用可描述气-固转变的三模晶体相场模型,在原子尺度上研究了不同衬底条件下石墨烯结构的形核过程.结果表明:无论衬底存在与否,气态原子均是先聚集为无定形过渡态团簇,随着气态原子的不断堆积和固相团簇中原子位置的不断调整,过渡态团簇逐渐转变为有序的石墨烯晶核,在此过程中,五元环结构具有重要的过渡作用;石墨烯在结构匹配较好的衬底(如面心立方(face-centered cubic,FCC)结构(111)和(110))上生长时,可形成几乎没有结构缺陷单晶石墨烯岛;在无衬底或结构匹配性较差的衬底(如FCC结构(100)面)上生长时,形成的石墨烯岛结构缺陷和晶界较多,不利于高质量石墨烯的制备.     

二元合金等温凝固过程的相场模型

基于Ginzberg-Landau理论，发展了一个与WBM模型和KKS模型一致的新相场模型.并利用该相场模型与溶质场耦合计算，以Al-65%Cu合金为例模拟了不同过冷度条件下，二元合金凝固过程的等轴枝晶生长过程.研究过冷度对二元合金等温凝固过程的等轴枝晶生长以及溶质场分布的影响.结果表明：随着过冷度的增大，枝晶的二次枝晶更加发达，浓度Peclet数和枝晶尖端的生长速率增大，而枝晶尖端的曲率半径减小，枝晶前沿的溶质富集现象也更严重；另外，计算结果与Ivantsov理论符合较好. 关键词： 相场法 枝晶生长 溶质场 Ivantsov理论     

晶粒生长演变相场法模拟界面表达的物理模型

讨论了当前固态组织演变过程的相场法模拟模型,论证了相场法中界面的概念以及模型中界面的各种处理方法,以AZ31镁合金再结晶系统为例,研究了模型参数取值对界面特征的影响,提出了晶界作用域的概念,阐述了晶界作用域就是相场模型中界面处有序化变量的变化范围,其物理意义是界面能量的分布范围,并对应于成分界面偏析的范围.模拟得出,晶界作用域宽度主要由梯度项系数决定,晶界能则由梯度项系数和耦合项系数共同决定.对于AZ31镁合金,模拟研究了晶界作用域宽度取值的合理性和对显微组织影响的关系,得出取值为1.18 μm时,模拟符 关键词： 相场法 界面 计算机模拟 显微组织     

An investigation of the stored energy and thermal stability in a Cu–Ni–Si alloy processed by high-pressure torsion

ABSTRACT

The stored energy and activation energy for recrystallization were investigated for a Cu-Ni-Si alloy after high-pressure torsion processing for N?=?½, 1, 5 and 10 turns at room temperature. The contributions of geometrically necessary dislocations (GNDs), statistically stored dislocations (SSDs) and vacancies to the stored energy were calculated through the Vickers microhardness measurements, kernel average misorientation (KAM) measurements and an analysis by differential scanning calorimetry (DSC). The results show that the total stored energy decreases rapidly after equivalent strain of ε_eq?～?9 and then saturates through ε_eq?～?86 at ～70 J/mol. Concurrently, the local stored energy in GNDs and SSDs was found to depend strongly on the radial distance from the centre of the disc and increase with increasing equivalent strain at ε_eq?～?16 and saturate with further straining. Accordingly, the results indicate that the GNDs and vacancies are responsible for the high stored energy in the initial stage of deformation at equivalent strain range of ε_eq?=?8.6–16 and thereafter their contribution decreases slightly due to the occurrence of dynamic recrystallization and the formation of fine grains. At the same time, the contribution of the SSDs is similar to that of the GNDs only in high strain deformation as at ε_eq?=?49.3 to accommodate the deformation process. An activation energy for recrystallization was estimated in the range of ～?89.7–98.7 kJ/mol, thereby suggesting poor thermal stability.     

Irradiation-induced void evolution in iron:A phase-field approach with atomistic derived parameters

A series of material parameters are derived from atomistic simulations and implemented into a phase field(PF) model to simulate void evolution in body-centered cubic(bcc) iron subjected to different irradiation doses at different temperatures.The simulation results show good agreement with experimental observations — the porosity as a function of temperature varies in a bell-shaped manner and the void density monotonically decreases with increasing temperatures; both porosity and void density increase with increasing irradiation dose at the same temperature. Analysis reveals that the evolution of void number and size is determined by the interplay among the production, diffusion and recombination of vacancy and interstitial.     

A phase field model for the formation and evolution of martensitic laminate microstructure at finite strains

The extraordinary properties of shape-memory alloys stem from the formation and evolution of their complex microstructure. At lower temperatures, this microstructure typically consists of martensitic laminates with coherent twin boundaries. We suggest a variational-based phase field model at finite strains for the formation and dissipative evolution of such two-variant martensitic twinned laminate microstructures. The starting point is a geometric discussion of the link between sharp interface topologies and their regularisation, which is connected to the notion of Γ-convergence. To model the energy storage in the two-phase laminates, we propose an interface energy that is coherence-dependent and a bulk energy that vanishes in the interface region, thus allowing for a clear separation of the two contributions. The dissipation related to phase transformation is modelled by use of a dissipation potential that leads to a Ginzburg–Landau type evolution equation for the phase field. We construct distinct rate-type continuous and finite-step-sized incremental variational principles for the proposed dissipative material and demonstrate its modelling capabilities by means of finite element simulations of laminate formation and evolution in martensitic CuAlNi.     

Phase field simulation of microstructure evolution in Fe-Cr-Co alloy during thermal magnetic treatment and step aging

The evolution of modulated structures in Fe-Cr-Co alloys during isothermal aging under an external magnetic field and multiple step aging was simulated based on a phase field method. In this simulation, the magnetic configuration during the decomposition was calculated by a micromagnetic method, and the chemical Gibbs energy function was calculated by the CALPHAD approach based on the experimental equilibrium phase diagram. The calculation results provide a quantitative microstructure change directly linked to the phase diagram and demonstrate obvious microstructure difference between isothermal aging and multiple aging. The ferromagnetic precipitates elongate along the direction of the external magnetic field. The simulated evolution and microstructure are in good agreement with the experimental results.     

晶体相场法模拟异质外延过程中界面形态演化与晶向倾侧

采用晶体相场模型研究了异质外延过程中失配应变与应力弛豫对外延层界面形态演化的影响, 并对由衬底倾角引起的外延层晶向倾侧进行了分析.研究结果表明: 在有一定倾角的衬底晶体上进行外延生长时,若衬底和外延层之间失配度较大 (ε>0.08),外延层中弹性畸变能会以失配位错的形式释放, 最终薄膜以稳定的流动台阶形式生长且外延层的晶向倾角与衬底倾角呈近似线性关系. 而当衬底和外延层之间失配度较小(ε<0.04)不足以形成失配位错时, 外延层中弹性畸变能会以表面能的形式释放,最终使薄膜以岛状形态生长. 在高过冷度条件下,衬底倾角和失配度较大时,衬底和外延层之间会形成由大量位错规则排列而成的小角度晶界从而显著改变外延层的生长位向.