相场法研究Fe-Cu-Mn-Al合金富Cu相析出机制

基于Ginzburg-Landau理论采用连续相场法模拟了Fe-15%Cu-3%Mn-x Al(质量分数x=1%, 3%, 5%)合金在873 K等温时效时纳米富Cu析出相沉淀机制及Al含量对富Cu相析出的阻碍效应.通过计算成分场变量和结构序参数,研究了富Cu析出相的形貌、颗粒密度、平均颗粒半径、生长和粗化动力学.研究结果表明:在时效早期阶段,纳米富Cu相通过失稳分解机制析出,由于原子扩散速率存在差异,从而形成以富Cu相为核心的核壳结构.随着时效时间延长,富Cu相析出物结构由体心立方转变为面心立方.其中Al和Mn原子在富Cu核外偏析形成Al/Mn簇,可以将其视为阻碍富Cu析出相形成的缓冲层;在沉淀过程中,随着Al含量的增大, Al/Mn金属间相促进了缓冲层的生长,阻碍富Cu析出相的生长和粗化.     

相场再结晶储能释放模型与显微组织演变的模拟研究

在相场再结晶模型中提出了形式为 f(η_i^k,η_j^k) = E_s (η_i^de )² (1-(η_j^re)²)的冷变形储能项,并应用该模型模拟了 AZ31镁合金的再结晶过程,模拟结果和实验观测结果符合很好.研究表明, 引入储能释放模型可以实现再结晶形核物理过程的模拟; 模拟结果可以把合金在冷变形后退火的过程按照机理分为再结晶和热晶粒 长大两个阶段,模拟得出的理论再结晶时间是实验再结晶时间的2/3. 考察了冷变形应变大小对形变金属的亚晶粒尺寸和储能的影响机理和 试验结果,并将考察结果代入到改进后的再结晶模拟模型, 成功地再现了一个经典实验结果:随预先应变量的增加, 存在临界应变量对应的一个再结晶晶粒尺寸峰值.同时还给出了 这一经典实验结果的理论解释.     

相场法模拟第二相颗粒对柱状晶形成的影响

基于定向退火条件下的移动热区模型,采用相场法研究第二相颗粒对多晶材料中柱状晶结构形成的影响.结果表明:第二相颗粒对柱状晶结构的形成具有抑制作用,其抑制作用随第二相颗粒体积分数的增加和第二相颗粒尺寸的减小而增强.定向退火条件下第二相颗粒对晶粒极限尺寸的影响遵循Zener关系.为了获得良好的柱状晶结构,应尽量减少材料中第二相颗粒的体积分数及其在晶界上的弥散分布.     

相场法研究AlxCuMnNiFe高熵合金富Cu相析出机理

BCC(体心立方)和FCC(面心立方)结构共存的高熵合金通常具有优异的综合力学性能, Al元素可以促进含Cu高熵合金由FCC向BCC结构转变.本文基于Chan-Hilliard方程和Allen-Cahn方程,建立Al_xCuMnNiFe高熵合金三维相场模型,模拟了Al_xCuMnNiFe高熵合金(x=0.4, 0.5, 0.6, 0.7)在823 K等温时效时纳米富Cu相的微观演化过程.结果表明, Al_xCuMnNiFe高熵合金时效时会产生两种复杂核壳结构:富Cu核/B2_s壳以及B2_c核/FeMn壳,通过讨论分析发现形成的B2_c对纳米富Cu相的形成起到抑制作用,这种抑制作用随着Al元素的增加而变大;结合经验公式做出Al_xCuMnNiFe高熵合金富Cu相的屈服强度随时效时间的变化曲线,得到峰值屈服强度的时效时间和合金体系,可以为时效工艺提供参考.     

相场法研究Fe84Cu15Mn1合金富Cu相析出的内磁能作用机理

本文基于连续相场模型,对内磁能作用下Fe-Cu-Mn合金中富Cu相析出行为进行了研究,得到不同温度、不同Mn, Cu含量条件下的内磁能对富Cu相的平均颗粒半径、体积分数、吉布斯自由能的影响.模拟结果表明, Mn含量越低,居里温度越高,内磁能对自由能的贡献越大,且内磁能的贡献随温度升高而减小;内磁能降低了相结构转变势垒,促进了相结构转变.沉淀相体积分数随Cu含量增加而增加,通过对比有无内磁能对沉淀相体积分数的影响,内磁能作用导致沉淀相拥有更大的体积分数.因此在内磁能作用下,富Cu相具有较大的平均粒径、体积分数和较小的矫顽力,同时预测了合金硬度的变化趋势.     

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     

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     

Fe-Cr合金辐照空洞微结构演化的相场法模拟

Fe-Cr合金作为包壳材料在高温高辐照强度等极端环境下服役,产生空位和间隙原子等辐照缺陷,辐照缺陷簇聚诱发空洞、位错环等缺陷团簇,引起辐照肿胀、晶格畸变,导致辐照硬化或软化致使材料失效.理解辐照缺陷簇聚和长大过程的组织演化,能更有效调控组织获得稳定服役性能.本文采用相场法研究Fe-Cr合金中空洞的演化,模型考虑了温度效...     

过冷熔体中枝晶生长的相场法数值模拟

利用相场法模拟了过冷纯金属熔体中的枝晶生长过程,研究了各向导性、界面动力学、热扩散和界面能对枝晶生长的影响.结果表明,热噪声可以促发侧向分支的形成,但不影响枝晶尖端的稳态行为;随着各向异性的增加,枝晶尖端生长速度增加,尖端半径减小;当界面动力学系数减小及在界面动力学系数小于1的条件下热扩散系数减小时,枝晶尖端生长速度随之减小,而尖端半径相应增大;界面能趋于增大枝晶尺度并保持界面在扰动下的稳定,界面能越大,形成侧向分支的趋势越小 关键词： 过冷 枝晶生长 相场法 数值模拟     

相场法模拟对流速度对上游枝晶生长的影响

基于Tong和Beckermann等提出的耦合流场的相场模型,采用有限差分法对纯金属凝固过程进行二维模拟计算,研究了不同对流速度对金属枝晶生长的影响.结果表明：在有对流情况下,上游及下游枝晶呈现不对称形貌,上游枝晶生长速度明显比下游方向生长速度快.随着对流速度的增大,上游尖端过冷度也增大,枝晶生长也越快.这是由于流体速度越大,对上游枝晶冲刷越强,上游枝晶尖端实际过冷度越大,枝晶生长越迅速. 关键词： 相场法 对流速度 上游枝晶     

高温应变下的晶界湮没机理的晶体相场法研究

应用晶体相场方法研究高温应变下的预熔化晶界位错湮没机理. 结果表明, 原预熔化晶界上的位错在应变作用下发生分离运动, 形成新晶界, 即亚晶界. 该过程的实质是生成了亚晶粒; 亚晶界的迁移过程的本质是亚晶粒长大、吞噬旧晶粒的过程; 亚晶界之间的湮没是亚晶粒完全吞噬旧晶粒过程的结束, 体系转变成为单个晶粒结构. 根据原子密度序参数沿x和y方向的投影值随应变量的变化特征, 可以揭示出高温应变作用下, 预熔化亚晶界相遇湮没的本质是两对极性相反的偶极子位错对发生二次湮没, 该湮没的微观过程是通过位错连续二次滑移湮没而实现的, 其湮没的速率较低温时的湮没速率要小许多.     

剪切应变下刃型位错的滑移机理的晶体相场模拟

针对刃型位错的滑移运动, 构建包含外力场与晶格原子密度耦合作用的体系自由能密度函数, 建立剪切应变作用体系的晶体相场模型. 模拟了双相双晶体系的位错攀移和滑移运动, 计算了位错滑移的Peierls势垒和滑移速度. 结果表明: 施加较大的剪切应变率作用, 体系能量变化为单调光滑曲线, 位错以恒定速度做连续运动, 具有刚性运动特征; 剪切应变率较小时, 体系能量变化出现周期波动特征, 位错运动是处于低速不连续运动状态, 运动出现周期“颠簸”式滑移运动, 具有黏滞运动特征; 位错启动运动, 存在临界的势垒. 位错启动攀移运动的Peierls势垒要比启动滑移Peierls势垒大几倍. 位错攀移和滑移运动特征与实验结果相符合.     

Phase field simulation of spinodal decomposition under external magnetic field

A computational model was developed to simulate the spinodal decomposition process of ferromagnetic alloys under an external magnetic field. In this model, the temporal evolution of the modulated structure was described by a phase field method, and the magnetic configuration was solved by using a micromagnetic method. The spinodal decomposition and coarsening processes of a single magnetic particle and an A-B hypothetical system under an external magnetic field were simulated using the proposed model. The simulation results show that the precipitated particles were elongated along the direction of the external magnetic field. The dependence of the modulated structure of an A-B hypothetic system on external magnetic field is much more sensitive than that of the single particle structure. The simulation results also demonstrate that the modulation of the external magnetic field is effective even if the spinodal decomposition has been completed and a stable modulated structure was formed.     

Strain mapping in nanocrystalline grains simulated by phase field crystal model

In recent years, the phase field crystal (PFC) model has been confirmed as a good candidate to describe grain boundary (GB) structures and their nearby atomic arrangement. To further understand the mechanical behaviours of nanocrystalline materials, strain fields near GBs need to be quantitatively characterized. Using the strain mapping technique of geometric phase approach (GPA), we have conducted strain mapping across the GBs in nanocrystalline grains simulated by the PFC model. The results demonstrate that the application of GPA in strain mapping of low and high angles GBs as well as polycrystalline grains simulated by the PFC model is very successful. The results also show that the strain field around the dislocation in a very low angle GB is quantitatively consistent with the anisotropic elastic theory of dislocations. Moreover, the difference between low angle GBs and high angle GBs is revealed by the strain analysis in terms of the strain contour shape and the structural GB width.     

Ti-6Al-4V合金中片层组织形成的相场模拟

Ti-6Al-4V是典型的α+β钛合金,不同热处理制度和热加工工艺下可得到形貌各异的微观组织,从而表现出不同的力学性能,深刻理解合金中微观组织的形成机制有助于合金的进一步优化和改造.采用相场方法模拟Ti-6Al-4V合金中片层组织的形成及演化,以热力学数据库和动力学数据库为输入,通过计算定量预测β晶界上已存在初生α相时合金组织随时间的演化.结果表明,在一定条件下,随着时间的延长晶界α向β晶内生长形成片层组织,片状α簇的形貌与界面能各向异性密切相关;晶界取向对片层生长有重要作用,垂直于晶界生长时产生最密集的片层,随倾斜角增大片层加厚且生长缓慢;此外,热处理温度显著改变片层组织形貌,温度越高,片层尖端生长速度越慢,片层间距越大. 关键词： Ti-6Al-4V 相场模拟 片层组织     

应力作用下GdTiO_3磁序相变的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统研究了GdTiO_3薄膜在压缩应力和拉伸应力作用下的磁序相变.计算结果表明:1)在LaAlO_3压缩衬底的作用下,GdTiO_3薄膜从铁磁基态转变为G型反铁磁基态.该结果不同于YTiO_3和LaTiO_3在LaAlO_3压缩衬底作用时都呈现A型反铁磁基态的情况.若进一步加大压缩应力,例如在(001)平面施加YTiO_3衬底,此时GdTiO_3薄膜基态才为A型反铁磁态.2)在LaScO_3和BaZrO_3拉伸衬底的作用下,GdTiO_3薄膜的基态仍是铁磁态,但是随着拉伸应力的增大,A型反铁磁态的能量和铁磁态的能量差逐渐缩小,即GdTiO_3薄膜的基态有转变为A型反铁磁态的趋势.3)在外加应力的作用下,GdTiO_3薄膜基态的磁序发生了相变,但是其绝缘性并没有变,说明GdTiO_3薄膜仍为Mott型绝缘体.     

不同对称性下晶界结构演化及微观机理的晶体相场法研究

采用晶体相场法研究了单轴拉伸下三角相双晶变形过程及机理, 并重点分析了小角对称与非对称晶界和大角对称与非对称晶界在变形过程中的演化及微观机理, 变形过程中应力方向与初始晶界方向平行. 结果表明, 小角对称晶界由柏氏矢量夹角呈60°的两种刃型位错组成, 变形过程中不同类型的位错运动方向相反, 并各自与另一晶界上同一类型位错相互吸引以致部分位错发生湮没; 小角非对称晶界上的位错类型单一, 在应力作用下先沿水平方向攀移, 后各自分解成柏氏矢量约呈120°的两位错, 并通过位错运动和湮没最终形成理想单晶; 大角晶界在应力的作用下先保持水平状态而后锯齿化并发射位错, 伴随着位错运动和湮没, 最终大角非对称晶界发生分解, 而大角对称晶界则重新平直化, 表明大角对称晶界比大角非对称晶界更稳定, 这与实验和分子动力学模拟结果一致. 关键词： 晶体相场 双晶 晶界 对称性     

Phase field simulation of the columnar dendritic growth and microsegregation in a binary alloy

This paper applies a phase field model for polycrystalline solidification in binary alloys to simulate the formation and growth of the columnar dendritic array under the isothermal and constant cooling conditions. The solidification process and microsegregation in the mushy zone are analysed in detail. It is shown that under the isothermal condition solidification will stop after the formation of the mushy zone, but dendritic coarsening will progress continuously, which results in the decrease of the total interface area. Under the constant cooling condition the mushy zone will solidify and coarsen simultaneously. For the constant cooling solidification, microsegregation predicted by a modified Brody- Flemings model is compared with the simulation results. It is found that the Fourier number which characterizes microsegregation is different for regions with different microstructures. Dendritic coarsening and the larger area of interface should account for the enhanced Fourier number in the region with well developed second dendritic arms.     

外加应力作用下UO2中空洞演化过程的相场模拟

本工作建立了外加应力作用下UO₂中空洞演化的相场模型.首先,使用摄动迭代法求解了弹性平衡方程,对外加应力下单个空洞周围的应力分布进行了计算,结果表明空洞边缘有应力集中现象,模拟得到的应力分布和解析解一致.然后,利用相场方法模拟了不同外加应力下单个空洞的演化过程,结果表明随着外加应力的增大,空洞的生长速度加快.最后,研究了外加应力对多晶体系中晶粒长大和空洞演化的影响,结果表明,不同晶粒内的应力大小不同,应力越小的晶粒越容易长大,尺寸越大的空洞的边缘应力也越大.晶间空洞与弯曲晶界存在相互作用,一方面晶界附近的空洞会生长成透镜状,另一方面空洞对晶界也有钉扎作用,能减缓晶界的迁移.此外,外加应力会加速多晶系统中空洞的生长,并且本文计算得到了外加应力与空洞半径的关系,发现外加应力越大,空洞的生长越快.