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.     

Cu掺杂对高熵合金FeCrVTi相结构的影响

基于CALPHAD方法,建立了高熵合金FeCrVTiCux(x=0-1)的热力学计算模型,对Cu掺杂的高熵合金FeCrVTi相结构和屈服强度进行了讨论分析. 研究发现当x=0时,室温下FeCrVTi的相结构为BCC-A2、LAV-C14和NITI2相. 在815-1380K温度区域,该体系发生有序-无序LAVES->BCC-A2转变. 当x增加到0.2时,室温下FeCrVTiCu0.2的 LAV-C14相消失,出现了LAVES和HCP-A3相. 当x增加到0.4时,室温下FeCrVTiCu0.4出现FCC-A1相. 600K温度时,随Cu含量的不断增加FeCrVTiCux在x=0.0-1.0之间HCP-A3相成分呈线性增长,其相含量最大值位于x=1.0的位置. Cu的掺杂提高了高熵合金FeCrVTi的室温塑性和高温强度,使得FeCrVTi的室温屈服强度高于FeCrVTiCu,在600K温度下,FeCrVTiCu的屈服强度高于FeCrVTi.     

理论研究VTiTaNbAl_x高熵合金的结构与弹性力学性质

实验已证明VTiTaNbAl_x高熵合金(HEAs)为单相固溶体,它采用了体心立方结构.在本文中,我们使用基于密度泛函理论的饼模轨道(EMTO)结合相干势近似(CPA)方法,计算并分析了此高熵合金体系的平衡体性质,弹性常数及多晶弹性模量.结果表明:此系列高熵合金符合单相高熵合金的理论判据,具有较好的内在塑性,等摩尔比的VTiTaNb高熵合金趋于弹性各向同性.随着Al含量的增加,此系列高熵合金的弹性各向异性趋于增大,但对多晶弹性模量几乎没有影响;同时讨论了基于弹性常数计算的德拜温度.     

理论研究VTiTaNbAlx高熵合金的结构与弹性力学性质

实验已证明VTiTaNbAlx高熵合金(HEAs)为单相固溶体,它采用了体心立方结构. 在这篇文章中,我们使用基于密度泛函理论的饼模轨道(EMTO)结合相干势近似(CPA)方法,计算并分析了此高熵合金体系的平衡体性质,弹性常数及多晶弹性模量. 结果表明：此系列高熵合金符合单相高熵合金的理论判据,具有较好的内在塑性,等摩尔比的VTiTaNb高熵合金趋于弹性各向同性. 随着Al含量的增加,此系列高熵合金的弹性各向异性趋于增大,但对多晶弹性模量几乎没有影响;同时讨论了基于弹性常数计算的德拜温度.     

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     

Al元素含量对高熵合金Al_xFeTiCrZnCu力学性能的影响

采用第一性原理密度泛函理论,结合平面波赝势和广义梯度近似(GGA),用虚拟晶体近似(VCA)的方法建立高熵合金的固溶结构模型,计算了高熵合金Al_xFeTiCrZnCu的结构性能、弹性性能和生成热.计算结果表明,Al_xFeTiCrZnCu高熵合金的密度随着Al元素含量的增加而减小,晶格常数在Al元素摩尔含量为1时最小. Al元素含量的增加能提高高熵合金Al_xFeTiCrZnCu的力学稳定性.基态总能量和生成热都随着Al元素含量的增加而增加,但是合金系的稳定性和热力学稳定性有所下降.     

相场法模拟多元合金过冷熔体中的枝晶生长

在二元合金相场模型研究的基础上，进行扩展获得了多元合金相场模型.以Al-Si-Mg三元合金为例，采用该相场模型实现了逼真地模拟多元合金凝固过程的等轴枝晶生长，得到了二次或更高次晶臂生长等复杂的枝晶形貌.随着第三组元Mg含量的减少，枝晶的二次枝晶越发达，枝晶中溶质的偏析越严重，枝晶尖端的生长速率和半径越大，与丁二腈-丙酮体系中枝晶尖端生长速率、半径随溶质浓度变化关系的理论计算和实验结果相符合.另外，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；固液界面区域具有较大的浓度梯度，其中枝晶尖端前沿的梯度最大. 关键词： 相场法 多元合金 凝固过程 枝晶生长     

相场法模拟NiCu合金非等温凝固枝晶生长

利用相场模型与溶质场、温度场进行耦合计算,以Ni-40.83%Cu合金为例模拟了二元合金枝晶生长过程.系统研究相场模型中相场和温度场耦合强度对枝晶形貌和浓度分布的影响.模拟结果表明:随着耦合强度的增加,相场受温度场的影响加大,界面前沿变得不稳,扰动被放大,主枝上出现了二次枝晶.同时,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 NiCu合金 枝晶生长 Ivantsov理论     

Al_xCrFeNiTi系高熵合金成分和弹性性质关系

为了探索Al_xCrFeNiTi系高熵合金组成成分和弹性性质的关系,结合固溶体特征参数和第一性原理计算,研究Al元素含量对Al_xCrFeNiTi (x=0, 0.5, 1, 2, 3, 4)合金结构和弹性性质的影响,并分析合金固溶体特征参数与弹性性质之间的关系.结果表明:Al_xCrFeNiTi系合金的价电子浓度随着Al含量的增加逐渐减小,合金在体心立方结构下的形成焓均低于面心立方结构,说明研究的Al_xCrFeNiTi系合金会形成单一的体心立方结构固溶体;合金的晶格常数和形成能力强弱随着Al含量的增加而增大,但合金的结构稳定性略有下降;当合金元素按照等原子比进行成分配比时,合金的原子尺寸差异最大; Al_xCrFeNiTi系合金中不同原子之间除了金属键结合外,还表现出一定的共价和离子键结合特征;对于Al_xCrFeNiTi系合金而言,随着热力学熵焓比的增大,合金体弹模量和韧性随之增大;随着合金混合焓的增加,合金在压缩方向的各向异性程度明显降低.热力学熵焓比和混合焓可作为Al_xCrFeNiTi系高熵合金成分设计的重要参数.     

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     

FeCoCrCuNi高熵合金裂纹及孔洞结构力学与微观构象演化机理的分子动力学模拟研究

本文采用分子动力学方法研究了FeCoCrCuNi高熵合金裂纹及孔洞模型结构在不同轴向拉伸应变速率下的力学与微观结构演化机理. 结果表明：应变速率越高FeCoCrCuNi裂纹结构对应更高的过冲应变和过冲应力,其主要原因是高拉伸速率会导致高强度的BCC结构及孪晶结构的生成,而BCC结构及孪晶结构的产生进而会抑制应力的下降,通过应力-应变曲线,可知FeCoCrCuNi裂纹模型在轴向应力作用下表现为塑性形变. 对于不同尺寸的孔洞FeCoCrCuNi裂纹模型的应力模拟与结构分析,可以得出：孔洞尺寸越大, FeCoCrCuNi裂纹结构对应的过冲应变和过冲应力越小,其主要原因是大尺寸的孔洞造成孔洞之间产生裂纹的,进而会影响这个材料的屈服应变和屈服强度.     

二元合金多晶粒的枝晶生长的等温相场模型

基于Ginzburg-Landau理论和单晶粒的枝晶生长模型,发展了一个单相场控制的多个晶粒的枝晶生长模型. 采用相场和溶质场耦合的方法,以Al-2%Cu合金为例模拟了二元合金等温凝固过程中多个晶粒的生长过程. 结果表明,这个模型的计算结果展现了多个晶粒枝晶的竞争生长,能较真实的再现凝固过程中的枝晶的生长过程. 关键词： 相场法 多晶粒 等温凝固 二元合金     

AlxCoCrFeNi高熵合金力学性能的分子动力学模拟

通过分子动力学方法模拟了原子尺度下高熵合金的制备过程,对AlCoCrFeNi进行了微观组织分析,研究了温度和Al含量变化时AlCoCrFeNi高熵合金在轴向载荷作用下的力学性能。模拟结果显示:Al_x CoCrFeNi高熵合金在拉伸过程中依次经历弹性—屈服—塑性阶段。屈服后,材料开始出现位错,随之出现层错和孪晶;随着位错的不断产生和湮灭,材料产生了不均匀塑性变形。分析显示:Al与其他元素的原子半径差产生的晶格畸变效应以及Al与其他原子的结合力影响了高熵合金的杨氏模量和屈服应力;温度升高导致金属原子间的热振动加剧,原子动能增加,原子间的距离增大,原子间的结合力下降,致使合金的弹性模量和屈服应力下降,温度的净效应类似于晶格畸变。     

二元合金多晶粒的枝晶生长的等温相场模型

基于Ginzburg-Landau理论和单晶粒的枝晶生长模型，发展了一个单相场控制的多个晶粒的枝晶生长模型. 采用相场和溶质场耦合的方法，以Al-2%Cu合金为例模拟了二元合金等温凝固过程中多个晶粒的生长过程. 结果表明，这个模型的计算结果展现了多个晶粒枝晶的竞争生长，能较真实的再现凝固过程中的枝晶的生长过程.     

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...     

AlCrFeCuNi高熵合金力学性能的分子动力学模拟

高熵合金具有传统合金无法比拟的高强度、高硬度和高耐磨耐腐蚀性,具有广阔的应用前景。为研究AlCrFeCuNi高熵合金(High entropy alloy,HEA)在轴向载荷作用下的力学性能,采用分子动力学方法,模拟高熵合金的实验制备过程并建立原子模型,研究温度和Al的含量对AlCrFeCuNi高熵合金力学性能的影响,从材料学角度分析了变形过程及其具有高塑性的原因。模拟结果表明,AlCrFeCuNi高熵合金在拉伸载荷作用下依次经历弹性、屈服、塑性3个变形阶段。在屈服阶段,开始出现孪晶和层错,孪晶和层错的产生和生长是合金产生不均匀塑性变形的主要原因之一。高熵合金的杨氏模量和屈服应力随着Al含量的增加近似线性降低,同时具有很强的温度效应,温度越低,Al含量越小,其杨氏模量和屈服应力的下降幅度越大。     

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     

高自旋场对Vaidya-Bonner黑洞熵的贡献

利用改进的brick-wall模型推导出自旋为2的引力场对动态Vaidya-Bonner 黑洞熵的贡献， 在自然单位制中其值为A/2；这表明，当选择与标量场相同的截断因子时，其熵为标量场的2 倍，为Dirac 场的4/7. 关键词： Vaidya-Bonner黑洞 黑洞熵 高自旋场 薄膜brick-wall模型     

二元合金微观偏析的相场法数值模拟

使用耦合溶质场的相场模拟研究了Ni-Cu二元合金枝晶生长过程中固相溶质扩散系数D_s 对枝晶形貌和微观偏析等的影响.计算结果表明，随着D_s的减少，固液界 面前沿溶质扩散层越薄，枝晶生长越有利，枝晶尖端生长的速度越大，侧向分支越发达；D< sub>s越小，固相中溶质成分的波动越强烈，随着D_s的增大，固相中溶质 成分的波动相应减小；溶质微观偏析程度随D_s的增大而减小. 关键词： 相场方法 微观偏析 固相扩散系数 数值模拟