Cu-Ni-Si合金微結(jié)構(gòu)及相變的計(jì)算與模擬.pdf

1、Cu-Ni-Si合金是一種優(yōu)良的高強(qiáng)高導(dǎo)引線框架材料，其性能主要決定于δ-Ni2Si析出相的形狀、大小和分布等。鑒于Cu-Ni-Si合金發(fā)展和性能進(jìn)一步提高的需要，本文利用第一性原理和相場(chǎng)法，對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)研究。計(jì)算了析出相的熱力學(xué)穩(wěn)定性與電子結(jié)構(gòu)。首次理論確定了調(diào)幅分解組織((Cu，Ni)3Si)的晶體常數(shù)與結(jié)構(gòu)類型。基于Cahn-Hilliard(CH)和Allen-Cahn(AC)方程，分別建立了Cu-Ni-Si三元合金調(diào)幅分解、

2、時(shí)效析出以及再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大的相場(chǎng)法數(shù)學(xué)模型，在模型中直接耦合了CALPHAD熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并考慮了彈性能、界面能各向異性的影響。編制了相關(guān)計(jì)算機(jī)模擬程序，對(duì)Cu-Ni-Si合金時(shí)效過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的演變進(jìn)行了模擬，探討了該合金的調(diào)幅分解、時(shí)效析出的相變動(dòng)力學(xué)機(jī)制，揭示了含有彌散分布δ析出相粒子的系統(tǒng)中再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大規(guī)律。為客觀地驗(yàn)證模擬結(jié)果，本文也做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合國(guó)、內(nèi)外他人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，其主要結(jié)果得到了印證。

3、因此，本文的模擬結(jié)果在一定程度上可以為Cu-Ni-Si合金的研究和實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)及幫助。同時(shí)，本文的研究工作也豐富了相場(chǎng)模型在固態(tài)相變領(lǐng)域中的應(yīng)用。
　　基于第一性原理平面波贗勢(shì)方法，計(jì)算了Cu-Ni-Si合金中調(diào)幅分解組織和析出相的形成熱、結(jié)合能和電子結(jié)構(gòu)等，首次得出調(diào)幅結(jié)構(gòu)的類型和析出相的穩(wěn)定序列。DO22-Ⅰ的形成熱和結(jié)合能分別為-0.975eV·atom-1和-5.388eV·atom-1，其絕對(duì)值是所有可能的調(diào)幅結(jié)

4、構(gòu)（L12、DO22和DO23）中最大的。因此，在Cu-Ni-Si合金時(shí)效早期的調(diào)幅分解過(guò)程中，最可能產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)為DO22-Ⅰ。計(jì)算得到的δ-Ni2Si、γ-Ni5Si2和β-Ni3Si晶格常數(shù)與相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果相符合，其相對(duì)誤差均小于1％。結(jié)合能和形成熱的計(jì)算結(jié)果表明，三種析出相在熱力學(xué)上都是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，其從高到低的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定序列為:δ-Ni2Si＞γ-Ni5Si2＞β-Ni3Si。電子結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，三種析出相都具有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的主要原因是由

5、于Ni-3d和Si-3p之間的強(qiáng)烈雜化所致。
　　利用建立的三元合金調(diào)幅分解的相場(chǎng)模型，對(duì)Cu-Ni-Si合金的時(shí)效過(guò)程進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果表明，Cu-Ni-Si合金在723K和673K溫度時(shí)效的早期發(fā)生了調(diào)幅分解相變。忽略彈性應(yīng)變能作用時(shí)，形成富Cu和富Ni、Si的兩相混合物，呈半聯(lián)通的迷宮狀分布?？紤]彈性應(yīng)變能作用時(shí)，其分解組織呈現(xiàn)出明顯的各向異性特征，沿[10]和[01]方向排列。濃度剖面以及相關(guān)函數(shù)分析表明，計(jì)算的調(diào)制波長(zhǎng)

6、在10.4～12.6 nm范圍內(nèi)?；瘜W(xué)成分不變時(shí)，隨時(shí)效溫度的降低，調(diào)制波長(zhǎng)稍有減小;時(shí)效溫度恒定時(shí)，隨Ni和Si含量的增加，調(diào)制波長(zhǎng)略有增大。
　　理論計(jì)算了盤形δ-Ni2Si的本征應(yīng)變以及共格和半共格界面能(227 J·m-2，492J·m-2)，確定了相場(chǎng)模型與熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，建立了多元合金時(shí)效析出相變的相場(chǎng)模型，模型中同時(shí)考慮了界面能和彈性能各向異性的影響?；谶@個(gè)模型，首次計(jì)算機(jī)模擬了Cu-Ni-Si合金中

7、盤形δ-Ni2Si析出相的析出長(zhǎng)大過(guò)程，基于Avrami方程形式，得到了該合金的析出動(dòng)力學(xué)方程。對(duì)單個(gè)δ析出相的模擬結(jié)果表明，彈性能各向異性促進(jìn)了δ析出相沿長(zhǎng)度方向（徑向）的長(zhǎng)大，界面能各向異性促進(jìn)了δ析出相沿厚度方向的長(zhǎng)大，在界面能和彈性能各向異性的共同作用下，最終導(dǎo)致δ-Ni2Si析出相的形態(tài)呈盤狀。對(duì)多個(gè)δ-Ni2Si析出相的模擬結(jié)果表明，當(dāng)一個(gè)析出相粒子與另一不同位向的析出相粒子碰撞，則停止長(zhǎng)大，結(jié)果形成“T”字型;當(dāng)兩個(gè)位向相

8、同的析出相粒子相遇時(shí)，如果二者之間距離非常近，它們會(huì)連接在一起，或者直接合并粗化。因此，盤形δ析出相的粗化特征完全不同于球形析出相的粗化特征。
　　建立了第二相粒子對(duì)晶粒長(zhǎng)大影響的相場(chǎng)模型，并針對(duì)Cu-Ni-Si合金再時(shí)效過(guò)程中δ-Ni2Si析出相對(duì)再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大的影響進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，彌散分布的δ-Ni2Si粒子表現(xiàn)出強(qiáng)烈釘扎晶界的作用。再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大初期符合n=0.15～0.35的指數(shù)長(zhǎng)大規(guī)律，明顯小于純單相系統(tǒng)的長(zhǎng)大指數(shù)