二元合金調(diào)幅分解與有序化共存相變動(dòng)力學(xué)和微觀機(jī)制研究.pdf

1、勻相轉(zhuǎn)變具有時(shí)間、空間尺度小等特點(diǎn),在轉(zhuǎn)變過程中形成納米尺度的共格組織,是設(shè)計(jì)“天然”納米合金的一種有效手段。勻相轉(zhuǎn)變主要包括調(diào)幅分解、有序化、以及兩者共存三種形式。由于勻相轉(zhuǎn)變速度快,試驗(yàn)研究較為困難,調(diào)幅分解與有序化共存相變動(dòng)力學(xué)過程至今還不清楚。因此,本文建立了耦合均勻彈性能和非均勻彈性能的微觀相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模型,并結(jié)合試驗(yàn)方法研究了合金調(diào)幅分解、有序化、以及兩者共存相變動(dòng)力學(xué)和微觀機(jī)制。
　　基于經(jīng)典固溶體理論的二元模型合金研

2、究結(jié)果表明:合金最近鄰和次近鄰原子間有效相互作用能決定合金的勻相轉(zhuǎn)變方式在調(diào)幅分解與有序化之間轉(zhuǎn)變,但不能發(fā)生調(diào)幅分解與有序化共存。當(dāng)最近鄰原子間作用能為負(fù)時(shí),發(fā)生調(diào)幅分解轉(zhuǎn)變;反之,發(fā)生有序化轉(zhuǎn)變,與經(jīng)典固溶體理論一致。若模型中耦合均勻彈性能時(shí),依然不能從根本上改變勻相轉(zhuǎn)變的方式,只是在轉(zhuǎn)變過程中形成各向異性結(jié)構(gòu)。在真實(shí)合金勻相轉(zhuǎn)變過程中形成的彈性能,不僅與原子尺寸差異有關(guān),還與濃度分布有關(guān),是一種非均勻的彈性能。當(dāng)模型中耦合非均勻的

3、彈性能時(shí),合金中發(fā)生先失穩(wěn)有序化后調(diào)幅分解的勻相轉(zhuǎn)變,呈現(xiàn)調(diào)幅分解與有序化共存。
　　基于原子嵌入勢(shì)計(jì)算了真實(shí)合金的原子間相互作用能,分別對(duì)原子尺寸差異不同的真實(shí)合金進(jìn)行模擬研究。對(duì)于原子尺寸差異較小的Fe-Mo真實(shí)合金模擬研究結(jié)果表明:合金成分和彈性能對(duì)調(diào)幅分解的進(jìn)程、微觀組織形態(tài)以及后期的粗化機(jī)制都有影響。隨著合金中 Mo含量增加,調(diào)幅分解進(jìn)程加速,粗化機(jī)制從單一的LSW粗化機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)長(zhǎng)SW和合并長(zhǎng)大的混合機(jī)制。考慮彈性能作用

4、后,在時(shí)效后期形成所謂“宏觀點(diǎn)陣”的結(jié)構(gòu),在高彈性能作用下粗化過程從以LSW粗化機(jī)制和位向控制機(jī)制共同作用的混合機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)閱我晃幌蚩刂茩C(jī)制。隨著時(shí)效溫度提高,調(diào)幅分解的進(jìn)程加快,形成的富集相的數(shù)量增多,富集相的尺寸減小。根據(jù)大量模擬結(jié)果,確定了不同彈性能作用下的Fe-Mo合金失穩(wěn)分解曲線,發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)報(bào)道中理論結(jié)果過低的估計(jì)了彈性能的作用。均勻彈性能對(duì)于原子尺寸差異小的合金的微觀相場(chǎng)模擬是適用的,模擬結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的Fe-20％Mo合金50

5、0℃時(shí)效5h透射電鏡像一致。
　　對(duì)于原子尺寸差異大的Fe-Al真實(shí)合金,采用耦合非均勻彈性能的相場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模型,模擬研究結(jié)果表明:在時(shí)效初期以失穩(wěn)有序化的方式形成單一的B2有序相,隨后在有序相內(nèi)部發(fā)生調(diào)幅分解形成調(diào)幅組織,呈現(xiàn)調(diào)幅分解與有序化共存。隨著溫度升高,相變速率明顯增大。當(dāng)時(shí)效溫度為T=853K時(shí),在時(shí)效后期有序相內(nèi)的調(diào)幅組織出現(xiàn)合并長(zhǎng)大現(xiàn)象,出現(xiàn)少量的棒狀原子富集相。經(jīng)過大量不同成分勻相轉(zhuǎn)變過程的模擬研究,確定了調(diào)幅分解

6、與有序化共存相變的條件,當(dāng)合金中鋁含量為21%～26時(shí)可以發(fā)生調(diào)幅分解與有序化共存相變,在這個(gè)范圍之外只發(fā)生單一的失穩(wěn)有序化轉(zhuǎn)變或者調(diào)幅分解轉(zhuǎn)變。在調(diào)幅分解與有序化共存相變過程中,形成B2和DO3相的反位缺陷FeAl和AlFe,二者都具有負(fù)的時(shí)間相關(guān)性。在時(shí)效過程中經(jīng)歷緩慢轉(zhuǎn)變期、原子偏聚期下降、至后期平衡階段的增加。反位缺陷的變化同時(shí)反映了合金勻相轉(zhuǎn)變方式的改變,在時(shí)效初期發(fā)生失穩(wěn)有序化轉(zhuǎn)變導(dǎo)致反位缺陷的占位幾率降低,在時(shí)效后期發(fā)生調(diào)

7、幅分解轉(zhuǎn)變導(dǎo)致占位幾率升高。
　　Fe-22Al合金實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明:在固溶處理過程中發(fā)生勻相轉(zhuǎn)變,形成鋁原子的富集區(qū)和貧集區(qū),在富集區(qū)上出現(xiàn)細(xì)小的有序疇。在固溶處理后,進(jìn)行520℃低溫時(shí)效處理發(fā)生α→α+DO3相變。從衍射斑點(diǎn)中發(fā)現(xiàn)存在DO3結(jié)構(gòu)有序相的超點(diǎn)陣斑點(diǎn)和B2結(jié)構(gòu)的超點(diǎn)陣斑點(diǎn),說明合金中存在B2+DO3有序相。隨著時(shí)效時(shí)間的增加,有序疇發(fā)生粗化,形成粗大的海綿狀有序疇。經(jīng)過568℃高溫時(shí)效處理過程后,形成(111) D

8、O3和(100) B2結(jié)構(gòu)的超點(diǎn)陣斑點(diǎn),說明存在DO3和B2兩相。B2結(jié)構(gòu)有序疇是在固溶處理形成的原子富集區(qū)原位形成,還有一部分固溶處理過程中形成的B2結(jié)構(gòu)有序疇在時(shí)效過程迅速長(zhǎng)大。
　　本課題組前期研究結(jié)果表明,Fe-Al合金經(jīng)過勻相轉(zhuǎn)變熱處理后具有一定的壓縮塑性。為進(jìn)一步改善其本質(zhì)脆性,基于第一性原理計(jì)算了微量合金元素對(duì)Fe-Al合金力學(xué)性質(zhì)的影響。合金元素原子占位對(duì)總能量、晶格常數(shù)、形成焓的影響的研究結(jié)果表明,合金元素原子占