梯度场下晶粒和析出相演变过程相场模拟

论文摘要

本文采用相场方法,研究了梯度场下晶粒和析出相演变过程。基于金兹堡-朗道（Ginzburg-Landau）相变理论,推导出了适用于温度梯度场下晶粒演变、低体积分数相析出和浓度梯度场下析出相演变相场模型。采用两组空间矢量分别表示原始晶粒和再结晶晶粒,通过唯象参数耦合温度场,建立温度梯度场下晶粒演变相场模型,实现了均匀温度场和梯度温度场下晶粒演变数值模拟。结果表明,再结晶体积分数随唯象参数αa的减小而增加;平均晶粒尺寸随梯度能系数κb的增大而增大。17-4PH钢循环热处理后,平均晶粒尺寸随着循环次数的增加而逐渐减小。17-4PH钢激光表面淬火后,在试样表面层形成梯度晶粒。对循环保温与激光表面淬火晶粒演变进行了模拟,模拟结果与试验结果一致。基于Cahn-Hilliard方程,修正局域自由能函数中浓度场变量的最高幂次,展宽析出相的体积分数范围,建立了低体积分数相析出过程相场模型。在模型中,耦合晶粒空间矢量平方和的幂指数项（∑ηi2）μ,考虑了晶界对相析出过程的影响。实现了溶质体积分数低于5%的低体积分数相析出数值模拟。结果表明,晶粒空间矢量平方和的幂指数项决定了第二相在晶界晶内析出的比例,晶内析出相的比例随μ值的减小而增加,析出相尺寸取决于浓度场梯度能系数κφ;μ= 1或较大κφ时,析出相集中于晶界上。20钢和A3钢560°C等离子体稀土氮碳共渗表明,γ′相呈梯度分布,表面针状γ′相多而长,沿共渗层γ′相逐渐减少而且变短。耦合体自由能、界面能和弹性应变能,建立了浓度梯度场下析出相演变相场模型。对平行共渗表面和沿共渗层中γ′相析出过程进行了数值模拟,模拟结果与试验结果基本吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 相场方法在晶粒和析出相演变模拟中的应用
• 1.2.1 相场方法的历史及研究进展
• 1.2.2 朗道理论和金兹堡朗道理论
• 1.2.3 相场方法在晶粒演变模拟中的应用
• 1.2.4 相场方法在析出相演变模拟中的应用
• 1.3 激光表面淬火与离子渗氮组织结构演变规律
• 1.3.1 激光表面淬火对钢表面组织的影响
• 1.3.2 离子渗氮对钢表面组织的影响
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 试验材料及方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方法
• 2.3 组织模拟方法
• 第3章 温度梯度场下晶粒演变相场模拟
• 3.1 引言
• 3.2 温度梯度场下晶粒演变相场模型
• 3.2.1 含有再结晶和原始晶粒体系
• 3.2.2 温度梯度场下晶粒演变数学模型
• 3.2.3 温度对再结晶体积分数的影响
• 3.2.4 梯度能系数对平均晶粒尺寸的影响
• 3.3 17-4PH 钢固溶和循环热处理晶粒观察及其演变相场模拟
• 3.3.1 固溶与循环热处理晶粒OM 观察
• 3.3.2 固溶与循环热处理晶粒演变模拟
• 3.4 17-4PH 钢激光表面淬火层晶粒观察及其演变的相场模拟
• 3.4.1 激光表面淬火层晶粒OM 观察
• 3.4.2 激光表面淬火层晶粒演变模拟
• 3.5 本章小结
• 第4章 低体积分数相析出过程相场模拟
• 4.1 引言
• 4.2 低体积分数相析出过程的物理模型
• 4.3 低溶质浓度自由能函数创建
• 4.3.1 体系总自由能泛函
• 4.3.2 局域自由能分布拐点区间的展宽
• 4.3.3 含有晶界的局域自由能模型
• 4.4 低溶质浓度相析出过程相场方程的导出
• 4.5 低体积分数相析出过程的数值模拟
• 4.5.1 第二相沿晶界析出长大过程模拟
• 4.5.2 晶粒演变空间矢量平方和的幂指数对析出过程影响
• 4.5.3 梯度能系数对析出相尺寸及分布影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 浓度梯度场下析出相演变相场模拟
• 5.1 引言
• 5.2 浓度梯度场下析出相演变相场模型
• 5.2.1 含有析出相的两相混合体系物理描述
• 5.2.2 相析出驱动力
• 5.2.3 浓度梯度场下析出相演变方程的导出及其解
• 5.3 等离子体稀土氮碳共渗层中γ′相分布观察与相场模拟
• 5.3.1 氮碳共渗层中γ′相分布观察
• 5.3.2 平行共渗表面的γ′相析出过程模拟
• 5.3.3 沿共渗层中γ′相析出过程模拟
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢