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.     

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     

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     

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     

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     

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...     

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     

界面润湿性及固相体积分数对颗粒粗化动力学影响的相场法研究

利用多相场模型模拟了液-固两相体系中固相颗粒的粗化过程, 分析了界面润湿性及固相体积分数对粗化指数、粗化速率及颗粒尺寸分布的影响.结果表明, 不同固相体积分数下粗化指数基本不变, 但粗化速率常数及尺寸分布与固相体积分数及界面润湿性密切相关.在完全润湿条件下, 随着固相体积分数的增加, 粗化速率常数逐渐增大; 而非完全润湿条件下, 随着固相体积分数的增加, 粗化速率常数增大速度变缓, 且当润湿性较低、 固相分数较大时, 粗化速率常数还将随体积分数的增加而下降. 此外, 模拟结果表明各种润湿条件下颗粒的尺寸分布均随着固相分数增加而变宽, 分布峰值降低, 但非完全润湿条件下峰值下降变缓.模拟结果为理解不同实验观测结果之间的分歧提供了依据. 关键词： 粗化 相转变 相场法 润湿性     

粗化过程中颗粒界面形状演化的三维多相场法研究

利用多相场模型对液-固两相体系中固相颗粒的粗化过程进行了三维模拟,对粗化过程中的界面形状分布进行了统计分析,研究了不同固相体积分数下颗粒连接状态对界面形状演化及粗化速率的影响.模拟结果表明:当颗粒间存在大量连接时,粗化速率随固相分数的变化速率比颗粒无连接时变缓,且随着粗化进行,高曲率的双曲形界面所占比例不断降低,低曲率的椭球形界面所占比例逐渐增多;无论固相颗粒间是否发生连接,界面形状演化经历一定阶段后,三维界面形状分布均呈现自相似性,但随着固相体积分数的增加,界面形状分布呈现自相似性所需的时间延长.     

非对称倾侧亚晶界的晶体相场法研究

采用晶体相场法研究非对称倾侧亚晶界结构及其在应力作用下的微观运动机制.分别从温度、倾斜度角以及应力施加方向等方面对其结构及迁移过程进行分析和讨论.结果表明,非对称倾侧亚晶界由符号相同的一排刃型位错等距排列,部分出现由两个相互垂直排列的刃型位错构成的位错组;在应力作用下,非对称倾侧亚晶界迁移的微观机制包括位错的滑移和攀移、位错组分解、单个位错与位错组反应、单个位错分解以及位错湮灭;温度降低和倾斜度增大都会阻碍亚晶界的迁移过程;应力方向改变导致位错运动方向改变,从而改变晶界迁移形式.     

Phase diagram and magnetocaloric effect of alloys

We propose the phase diagram of a new pseudo-ternary compound, CoMnGe_1-xSn_x, in the range x0.1. Our phase diagram is a result of magnetic and calorimetric measurements. We find that the separate magnetic and structural transitions in CoMnGe are tuned together as the level of Sn substitution is increased. We demonstrate the appearance of a hysteretic magnetostructural phase transition in the range x=0.04–0.055, similar to that observed in CoMnGe under hydrostatic pressure. From magnetisation measurements, we show that the isothermal entropy change associated with the magnetostructural transition can be as high as in a field of 1 T. However, the large thermal hysteresis in this transition () will limit its straightforward use in a magnetocaloric device.     

Multiphase modelling of the growth kinetics of precipitates in Al-Cu alloys during artificial aging

ABSTRACT

In the aluminum industry, the needs of predictability of the kinetics of precipitation during the artificial aging processes increase as the targeted applications require the maximisation of properties at the lowest costs possible. In this regard, kinetics modelling can be helpful to design the heat treatment processes. Despite using many fitting parameters, available models show a lack of fitting with experimental data, especially for the apparent heat capacity measured at high temperatures by a differential scanning calorimeter (DSC). To address this issue, a mixed-mode model was recently developed for isothermal heat treatment, whereas non-isothermal heat treatment must be considered to compare the calculated results with those measured by isochronal heating in a DSC. In this contribution, the model is extended to non-isothermal heat treatments. To this end, the growth kinetics pathway and sequence of precipitation in a binary Al-Cu alloy have been simulated, optimising the pre-exponential factor and the activation energy of the interfacial mobility of the secondary phases. This calibration of the interfacial mobilities allowed a very good reproduction of the evolution of the apparent heat capacity with temperature. The model and calibrated interfacial mobilities were then used to compute the size evolution of θ′ precipitates in an Al-4?wt%Cu. The isothermal growth rates calculated at 4 temperatures were in good agreement with those measured and reported by independent researchers. The good predictability of the model indicates that the assumptions made were suitable and well funded, especially regarding the growth rates of embryos emerging from the subcritical growth regime.     

In-situ study of precipitates in Al–Zn–Mg–Cu alloys using anomalous small-angle x-ray scattering

In the present work,the precipitate compositions and precipitate amounts of these elements(including the size distribution,volume fraction,and inter-precipitate distance) on the Cu-containing 7000 series aluminum alloys(7150 and 7085 Al alloys),are investigated by anomalous small-angle x-ray scattering(ASAXS) at various energies.The scattering intensity of 7150 alloy with T6 aging treatment decreases as the incident x-ray energy approaches the Zn absorption edge from the lower energy side,while scattering intensity does not show a noticeable energy dependence near the Cu absorption edge.Similar results are observed in the 7085 alloy in an aging process(120℃) by employing in-situ ASAXS measurements,indicating that the precipitate compositions should include Zn element and should not be strongly related to Cu element at the early stage after 10 min.In the aging process,the precipitate particles with an initial average size of ~ 8 ?A increase with aging time at an energy of 9.60 ke V,while the increase with a slower rate is observed at an energy of 9.65 ke V as near the Zn absorption edge.     

核反应堆压力容器模拟钢中富Cu原子团簇的析出与嵌入原子势计算

利用原子探针层析技术(APT)和热处理时效方法,研究了合金元素Ni对核反应堆压力容器模拟钢中富Cu原子团簇析出的影响.实验结果表明,添加合金元素Ni(0.84wt%)的样品中析出富Cu原子团簇的数量密度高于不添加Ni的样品,富Cu原子团簇内以及团簇和基体界面处都有Ni元素的富集现象,这说明合金元素Ni会促使富Cu原子团簇的析出.从多体势的角度出发,利用嵌入原子势理论,基于纯金属元素Fe,Cu,Ni的多体势参数,建立了Fe-Cu二元和Fe-Cu-Ni三元体系的嵌入原子多体势.计算结果表明,当模拟合金中存在1at%Ni时有利于富Cu原子团簇的析出,这与实验结果相符.     

Anisotropic growth of multigrain in equiaxial solidification simulated with the phase field method

The phase field method has been mainly used to simulate the growth of a single crystal in the past. But polycrystalline materials predominate in engineering. In this work, a phase field model for multigrain solidification is developed, which takes into account the random crystallographic orientations of crystallites and preserves the rotational invariance of the free energy. The morphological evolution of equiaxial multigrain solidification is predicted and the effect of composition on transformation kinetics is studied. The numerical results indicate that due to the soft impingement of grains the Avrami exponent varies with the initial melt composition and the solidification fraction.     

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.