Ni-Cr-Al合金沉淀早期的微观相场模拟

论文摘要

以Ni-Cr-Al三元合金为对象，基于微观相场模型，只需输入唯一基本参数——原子间相互作用势，毋需输入无实际物理意义的参数，即可获得原子图像的演化、长程序参数和浓度的变化、平均长程序参数、平均浓度以及体积分数的变化过程，描述合金沉淀全过程的原子簇聚、有序化过程。本文研究了不同合金成分、不同温度下的沉淀序列和沉淀机制，分析了Cr原子替代行为以及分级时效对合金有序相尺寸、体积分数的影响。主要结论如下：当Al、Cr含量较低时，Ni-Cr-Al合金按非经典形核长大机制同时沉淀出L12相和D022相。随Cr含量增加，D022相沉淀机制由非经典形核长大向混合机制过渡，进一步向等成分有序化＋失稳分解机制过渡；L12相沉淀机制由非经典形核长大向混合机制过渡。随Al含量增加，L12相沉淀机制由非经典形核长大向混合机制过渡，进一步向等成分有序化＋失稳分解机制过渡，D022相逐渐消失。当Al、Cr含量都较高时，L12相和D022相沉淀机制都为失稳分解机制。沉淀温度在873K－1373K范围内，随着温度提高，L12相和D022相的沉淀机制由等成分有序化＋失稳分解机制转化为混合机制，进一步向非经典形核机制过渡；沉淀相形貌由片状向球状过渡。非经典形核长大机制的孕育期最长，失稳分解机制的孕育期最短，混合机制居中。随Al、Cr含量增加，孕育期缩短；随着温度的提高，孕育期延长。合金沉淀温度低于1223K时，首先以等成分有序化＋失稳分解机制沉淀出非化学计量比L12相。随后，Cr原子在L12相有序畴界处偏聚，进一步沉淀出D022相。部分D022相在L12相内沉淀。温度升高，L12相体积分数增加，D022相体积分数减少。1373K时，首先以非经典形核机制同时沉淀L12和D022相，D022相逐渐缩小直至消失，最终形成单一L12相。Ni75Al25-xCrx合金中，Cr原子与Al原子同时发生有序化，共同占据L12相的β-格点，形成复合L12相(Ni3Al1-xCrx)。在L12相畴界，Cr原子逐步取代Al原子位置，最终形成D022相（Ni3Cr）。Ni75-xAl25Crx合金沉淀过程中，当Cr原子分数超过3％时，L12相内Cr原子在α-格点、β-格点占位几率接近极限值，在L12相相界Cr原子浓度逐步提高，形成D022相。在873K到1173K温度范围内，Ni-Cr-Al合金沉淀温度升高时，在L12相内的Cr原子在α-格点和β-格点的占位几率都提高，L12相体积分数增加，D022相体积分数减少。在中间处理阶段，合金沉淀机制为非经典形核长大；时效处理时，沉淀机制为等成分有序化＋失稳分解混合机制。时效温度提高时（973K－1373K），L12相尺寸增大，有序相体积分数提高；而降低中间处理温度，时效温度不变，L12有序相颗粒数量增多，直径减小，体积分数变化很小。与单级时效相比，二级时效和三级时效工艺可增大沉淀相颗粒尺寸和提高体积分数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 论文的主要创新与贡献
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 材料科学中的模拟方法
• 1.3 沉淀理论及其研究进展
• 1.3.1 经典形核长大理论
• 1.3.2 非经典形核长大理论
• 1.3.3 形核、长大和粗化作为伴随过程的描述
• 1.3.4 失稳理论
• 1.3.5 统一理论的提出
• 1.4 金兹堡—朗道相场动力学
• 1.4.1 金兹堡—朗道理论（GL理论）
• 1.4.2 连续体相场动力学模型（CH模型和AC模型）
• 1.4.3 微观相场动力学模型
• 1.5 合金沉淀过程研究进展
• 1.6 本文主要研究内容和构架体系
• 参考文献
• 第2章 微观相场动力学模型
• 2.1 微观相场动力学模型简介
• 2.2 模型的特点和优点
• 2.3 模型的基本假设
• 2.4 微观相场动力学数学模型
• 2.4.1 微观相场基本方程
• 2.4.2 三元体系微观相场扩散方程
• 2.4.3 傅立叶空间中的微观Langevin方程
• 2.4.4 平均场自由能
• 2.4.5 四近邻原子间相互作用近似
• 2.4.6 投影后的动力学方程
• 2.4.7 热起伏的产生
• 2.5 编程思路
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第3章 不同成分的Ni-Cr-Al合金早期沉淀机制
• 3.1 Ni-Cr-Al合金中热力学参数及其有序相结构
• 3.1.1 Ni-Al合金系
• 3.1.2 Ni-Cr和Al-Cr合金系
• 3.1.3 Ni-Cr-Al合金系
• 3.2 低Al含量合金早期沉淀机制
• 3.2.1 Ni-11at.%Cr-7at.%Al合金沉淀过程
• 3.2.2 Ni-14at.%Cr-7at.%Al合金沉淀过程
• 3.3.3 Ni-18at.%Cr-7at.%Al合金沉淀过程
• 3.3 低Cr含量合金早期沉淀机制
• 3.3.1 Ni-7at.%Cr-9at.%Al合金沉淀过程
• 3.3.2 Ni-7at.%Cr-13at.%Al合金沉淀过程
• 3.3.3 Ni-7at.%Cr-18at.%Al合金沉淀过程
• 3.4 高Cr、Al含量合金早期沉淀机制
• 3.4.1 Ni-13at.%Cr-14at.%Al合金沉淀机制
• 3.4.2 Ni-14at.%Cr-15.5at.%Al合金沉淀机制
• 3.5 分析与讨论
• 3.5.1 溶质原子浓度和合金沉淀机制关系
• 3.5.2 两种有序相共存现象的讨论
• 3.5.3 有序相畴界偏析
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第4章 温度对合金早期沉淀机制的影响
• 4.1 温度为973K时合金沉淀机制
• 4.2 温度为1073K时合金沉淀机制
• 4.3 温度为1173K时合金沉淀机制
• 4.4 温度为1193K时合金沉淀机制
• 4.5 温度为1203K时合金沉淀机制
• 4.6 温度为1213K时合金沉淀机制
• 4.7 温度为1223K时合金沉淀机制
• 4.8 温度为1273K时合金沉淀机制
• 4.9 温度为1323K时合金沉淀机制
• 4.10 温度为1373K时合金沉淀机制
• 4.11 分析与讨论
• 4.11.1 温度对合金沉淀驱动力的影响
• 4.11.2 平均成分偏离序参数和平均长程序参数的变化
• 4.11.3 有序相体积分数的变化
• 4.12 本章小节
• 参考文献
• 第5章 合金沉淀过程中Cr原子的替代行为
• 75Al_25-xCr_x合金'>5.1 Ni₇₅Al_25-xCr_x合金
• 5.1.1 873K时Ni-5at.%Cr-20at.%Al合金
• 5.1.2 Ni-7at.%Cr-18at.%Al合金
• 5.1.3 Ni-10at.%Cr-15N.%Al合金
• 5.1.4 Ni-13at.%Cr-12at.%Al合金
• 5.1.4.1 原子图像和序参数变化
• 2相畴界占位几率变化'>5.1.4.2 L1₂相畴界占位几率变化
• 2相内占位几率变化'>5.1.4.3 L1₂相内占位几率变化
• 75Al_25-xCr_x合金中成分对替代规律的影响'>5.1.5 Ni₇₅Al_25-xCr_x合金中成分对替代规律的影响
• 75-xAl₂₅Cr_x合金'>5.2 Ni_75-xAl₂₅Cr_x合金
• 5.2.1 Ni-3at.%Cr-25at.%Al合金
• 5.2.2 Ni-5.5at.%Cr-25at.%Al合金
• 75-xAl₂₅Cr_x合金中Cr原子分数对替代行为的影响'>5.2.3 Ni_75-xAl₂₅Cr_x合金中Cr原子分数对替代行为的影响
• 5.3 不同温度下Cr原子的替代行为
• 5.3.1 原子图像演化
• 5.3.2 Cr原子占位几率的变化
• 5.3.3 有序相体积分数的变化
• 5.4 分析与讨论:沉淀机制的连续转变
• 5.4.1 替代中的热力学分析
• 5.4.2 与实验结果的对照分析
• 5.5 本章小节
• 参考文献
• 第6章 分级时效对合金沉淀过程的影响
• 6.1 1073K单级时效的沉淀过程
• 6.2 二级时效的沉淀过程
• 6.2.1 1323K中间处理+1073K时效的沉淀过程
• 6.2.2 1323K中间处理+1123K时效的沉淀过程
• 6.2.3 1323K中间处理+1173K时效的沉淀过程
• 6.2.4 1273K中间处理+1073K时效的沉淀过程
• 6.3 三级时效的沉淀过程
• 6.3.1 温度为1323K+1173K+1033K的沉淀过程
• 6.3.2 温度为1323K+1193K+1033K的沉淀过程
• 6.3.3 温度为1338K+1193K+1033K的沉淀过程
• 6.3.4 温度为1353K+1223K+1033K的沉淀过程
• 6.4 分析与讨论
• 6.4.1 二级时效时有序相体积分数的变化
• 6.4.2 三级时效有序相体积分数的变化
• 6.4.3 平均长程序参数变化
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 结论
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 致谢