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合金早期沉淀过程的原子尺度计算机模拟

作　者: 赵宇宏
导　师: 陈铮
学　校: 西北工业大学
专　业: 材料学
关键词: 计算机模拟沉淀微观相场模型 γ’相（Ni3Al） θ相（Ni3V）原子图像序参数共格弹性应变能
分类号: TG131
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

采用微观相场模型，基于离散格点形式的微观扩散方程和非平衡自由能函数，在国内首先编制了二元、三元镍基合金的原子层面计算机模拟程序，无需预先设定新相结构和转变路径，自动描述可能的非平衡相、原子簇聚、有序化等，适用于沉淀的全过程以及全部成分范围，可获得原子图像、序参数及有序相体积分数等信息。系统地研究了存在有序化和原子簇聚的复杂体系的早期沉淀机制、两种有序相共存的析出序列、共格弹性应变能的影响。为客观地验证模拟结果，与国、内外相关的实验研究和理论进行了对比，主要结果获得印证，并得到了目前实验手段未能或难以发现的现象和规律。低浓度Ni-Al合金γ′相的沉淀机制为非经典形核长大，有序化与原子簇聚过程同时发生，没有发现GP区。随浓度增加，非经典形核长大的特征增强，有序相临界晶核成分序参数和长程序参数降低，且分布更为平缓，沉淀序列为：过饱和固溶体→非化学计量比有序相→化学计量比平衡γ′相→长大。高浓度Ni-Al合金γ′相的沉淀机制为：等成分有序化+失稳分解，有序化先于原子簇聚发生。等成分有序化产生非化学计量比的单相有序畴，失稳分解主要发生在反相畴界处，形成无序相，并促进畴内的失稳分解，在畴内形成无序相，但随时间延续，畴内无序相逐渐消失。沉淀序列为：中间浓度Ni-Al合金的沉淀机制没有发生不连续转变，随浓度增加，逐渐由非经典形核长大的沉淀特征向失稳分解沉淀特征转变，主要表现为：有序化过程提前、加快；有序相形成时浓度降低，尺寸变大直至形成浓度起伏很低的单相有序畴；有序相出现失稳分解等。靠近低浓度区的沉淀机制为非经典形核长大，与低浓度合金的沉淀机制相似；靠近高浓度区的沉淀机制为非经典形核长大+失稳分解，与高浓度合金沉淀机制更接近，沉淀序列为：西北工业大学博士学位论文低浓度NivsAlxV25一合金的e相先于丫相析出，e相的沉淀机制为:等成分有序化+失稳分解;丫相在e相的反相畴界处非经典形核，二者均先形成非化学计量比有序相，之后向化学计量比有序相转变。随Al浓度增加，e相发生等成分有序化的过程越来越慢，丫相临界核心成分值越来越平缓，尺寸越来越大且所占比例增加。中间浓度N玩Alxv25一、合金丫相和e相同时析出，随Al浓度增加，丫相所占比例继续增加，e相减少;丫相沉淀方式由非经典形核机制逐渐向等成分有序化+失稳分解机制转变，0相沉淀方式则由等成分有序化+失稳分解逐渐向非经典形核机制转变，e相和丫相都经历了既具非经典形核特征又具失稳分解特征的混合机制的沉淀过程，二者沉淀序列和机制的转变并非在某一点发生突变，而是连续过渡的。高浓度Ni75AlxV25-x合金沉淀过程中，，·与I区合金相反，丫相先出现，沉淀方式为等成分有序化+失稳分解，e相在丫相的妙BS上非经典形核，二者均先形成非化学计量比有序相，之后向化学计量比有序相转变。随Al浓度增加，丫相发生等成分有序化的过程更快，失稳分解的过程放缓，O相临界核心成分值越来越尖锐，尺寸越来越小且所占比例减少。研究共格弹性应变能对模型合金沉淀相形貌的影响规律发现:当共格弹性应变能为零时，沉淀相为球状弥散分布的颗粒或“海绵状”结构，呈各向同性特征;随应变能作用的增强，沉淀相分布的取向性越来越明显，趋于沿弹性“软”方向分布，形成类方格阵、纵横层状结构等，呈各向异性特征。

全文目录

前言  4-6
摘要  6-8
Abstract  8-11
论文的主要创新与贡献  11-17
第1章绪论  17-36
  1.1 引言  17
  1.2 沉淀动力学理论  17-26
    1.2.1 非匀相转变  17-22
    1.2.2 匀相转变  22-25
    1.2.3 统一理论  25
    1.2.4 沉淀相形貌  25-26
  1.3 沉淀动力学计算机模拟  26-32
    1.3.1 材料微结构模拟尺度及方法概述  26-27
    1.3.2 蒙特卡洛方法及对沉淀过程的模拟  27-29
    1.3.3 分子动力学方法  29-30
    1.3.4 相场法及对沉淀过程的模拟  30-32
  1.4 二元Ni-Al合金沉淀过程研究进展  32-33
  1.5 三元合金沉淀过程模拟研究进展  33-34
  1.6 共格弹性应变能对沉淀过程影响的模拟研究现状  34
  1.7 本文研究内容及构架体系  34-36
第2章合金沉淀过程动力学模型  36-53
  2.1 引言  36
  2.2 模型的基本假设  36-37
  2.3 二元体系动力学模型  37-42
    2.3.1 微观相场方程  37
    2.3.2 微观朗之万(Langevin)方程  37-38
    2.3.3 傅立叶空间中的微观朗之万方程  38
    2.3.4 应用到f.c.c晶格  38-39
    2.3.5 三维f.c.c晶格的二维投影动力学  39-40
    2.3.6 热起伏的产生  40-41
    2.3.7 微扩散方程与连续扩散方程的关系  41-42
  2.4 三元体系动力学模型  42-47
    2.4.1 三元体系微观相场扩散方程  42-43
    2.4.2 傅立叶空间中的微观朗之万方程  43-44
    2.4.3 平均场自由能  44-45
    2.4.4 四近邻原子间相互作用近似  45-46
    2.4.5 投影后的最终动力学方程  46-47
  2.5 模型的特点和优点  47-48
  2.6 研究对象二元Ni-Al合金  48-49
  2.7 研究对象三元Ni_(75)Al_xV_(25-x)合金  49-51
  2.8 编程思路  51-52
  2.9 本章小结  52-53
第3章低浓度Ni-Al合金γ′相早期沉淀机制  53-66
  3.1 引言  53
  3.2 沉淀相γ′(Ni_3Al)的有序结构  53-54
  3.3 模拟结果  54-61
    3.3.1 Ni-9.3at.％Al合金γ′相沉淀机制  54-58
    3.3.2 Ni-11at.％Al合金γ′相沉淀机制  58-60
    3.3.3 Ni-12at.％Al合金γ′相沉淀机制  60-61
  3.4 分析与讨论  61-65
    3.4.1 与实验结果的比较  61-63
    3.4.2 沉淀机制与浓度的关系  63-64
    3.4.3 GP区的讨论  64-65
  3.5 本章小结  65-66
第4章高浓度Ni-Al合金γ′相早期沉淀机制  66-79
  4.1 引言  66
  4.2 模拟结果  66-72
    4.2.1 Ni-21at.％Al合金γ′相沉淀机制  66-69
    4.2.2 Ni-19at.％Al合金γ′相沉淀机制  69-71
    4.2.3 Ni-17at.％Al合金γ′相沉淀机制  71-72
    4.2.4 t=40000时有序相体积分数与浓度的关系  72
  4.3 分析与讨论  72-78
    4.3.1 原子簇聚与有序化过程分析  72-75
    4.3.2 与相关实验和理论研究的对比及讨论  75-78
  4.4 本章小结  78-79
第5章中间浓度Ni-Al合金γ′相早期沉淀机制  79-92
  5.1 引言  79
  5.2 模拟结果  79-89
    5.2.1 Ni-12.7at.％Al合金γ′相沉淀机制  79-81
    5.2.2 Ni-14at.％Al合金γ′相沉淀机制  81-83
    5.2.3 Ni-15.5at.％Al合金γ′相沉淀机制  83-86
    5.2.4 Ni-15.8at.％Al合金γ′相沉淀机制  86-89
  5.3 分析与讨论:沉淀机制的连续转变  89-90
  5.4 本章小结  90-92
第6章 Ⅰ区Ni_(75)Al_xV_(25-x)合金早期沉淀过程研究  92-109
  6.1 引言  92
  6.2 模拟结果  92-105
    6.2.1 Ni_(75)Al_(2.5)V_(22.5)合金沉淀过程  92-98
    6.2.2 Ni_(75)Al_(3.2)V_(21.8)合金沉淀过程  98-102
    6.2.3 Ni_(75)Al_4V_(21)合金沉淀过程  102-105
  6.3 分析与讨论  105-107
    6.3.1 他人对两种有序相共存现象的研究  105-106
    6.3.2 异相形核机制  106-107
  6.4 本章小结  107-109
第7章 Ⅱ区Ni_(75)Al_xV_(25-x)合金早期沉淀过程研究  109-121
  7.1 引言  109
  7.2 模拟结果  109-119
    7.2.1 Ni_(75)Al_5V_(20)合金沉淀过程  109-113
    7.2.2 Ni_(75)Al_(5.3)V_(19.7)合金沉淀过程  113-116
    7.2.3 Ni_(75)Al_(5.5)V_(19.5)合金沉淀过程  116-119
  7.3 分析与讨论  119-120
    7.3.1 沉淀序列的光滑过渡  119
    7.3.2 沉淀机制的光滑过渡  119
    7.3.3 粗化现象的简单讨论  119-120
  7.4 本章小结  120-121
第8章 Ⅲ区Ni_(75)Al_xV_(25-x)合金早期沉淀过程研究  121-133
  8.1 引言  121
  8.2 模拟结果  121-129
    8.2.1 Ni_(75)Al_6V_(19)合金沉淀过程  121-124
    8.2.2 Ni_(75)Al_(7.5)V_(17.5)合金沉淀过程  124-127
    8.2.3 Ni_(75)Al_(10)V_(15)合金沉淀过程  127-129
  8.3 分析与讨论:两种有序相析出序列的热力学驱动力判据  129-132
  8.4 本章小结  132-133
第9章共格弹性应变能对沉淀相形貌的影响  133-152
  9.1 引言  133
  9.2 微观弹性力学理论  133-135
  9.3 微扩散方程和微观弹性力学理论的耦合  135-136
  9.4 无量纲形式的动力学方程  136-137
  9.5 研究对象模型合金简介  137-138
  9.6 模拟结果  138-149
    9.6.1 模拟点“a”(C_0=0.12，T~*=0.12)合金的沉淀过程  138-142
    9.6.2 模拟点“b”(C_0=0.14，T~*=0.08)合金的沉淀过程  142-146
    9.6.3 模拟点“c”(C_0=0.5，T~*=0.08)合金的沉淀过程  146-149
  9.7 模拟结果与实验结果的比较  149-151
  9.8 本章小结  151-152
结论  152-154
参考文献  154-164
攻读博士学位期间发表的论文  164-166
致谢  166-167

合金早期沉淀过程的原子尺度计算机模拟

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