Cu-Ni-Si合金微結(jié)構(gòu)及相變的計算與模擬.pdf

1、Cu-Ni-Si合金是一種優(yōu)良的高強高導引線框架材料，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)展和性能進一步提高的需要，本文利用第一性原理和相場法，對其進行了系統(tǒng)研究。計算了析出相的熱力學穩(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?；贑ahn-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、時效析出以及再結(jié)晶晶粒長大的相場法數(shù)學模型，在模型中直接耦合了CALPHAD熱力學和動力學計算，并考慮了彈性能、界面能各向異性的影響。編制了相關(guān)計算機模擬程序，對Cu-Ni-Si合金時效過程中微觀結(jié)構(gòu)的演變進行了模擬，探討了該合金的調(diào)幅分解、時效析出的相變動力學機制，揭示了含有彌散分布δ析出相粒子的系統(tǒng)中再結(jié)晶晶粒長大規(guī)律。為客觀地驗證模擬結(jié)果，本文也做了相關(guān)實驗，并結(jié)合國、內(nèi)外他人的實驗結(jié)果與模擬結(jié)果進行了比對，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合金的研究和實際生產(chǎn)提供理論指導及幫助。同時，本文的研究工作也豐富了相場模型在固態(tài)相變領(lǐng)域中的應用。
　　基于第一性原理平面波贗勢方法，計算了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合金時效早期的調(diào)幅分解過程中，最可能產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)為DO22-Ⅰ。計算得到的δ-Ni2Si、γ-Ni5Si2和β-Ni3Si晶格常數(shù)與相關(guān)試驗結(jié)果相符合，其相對誤差均小于1％。結(jié)合能和形成熱的計算結(jié)果表明，三種析出相在熱力學上都是穩(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之間的強烈雜化所致。
　　利用建立的三元合金調(diào)幅分解的相場模型，對Cu-Ni-Si合金的時效過程進行了模擬研究。結(jié)果表明，Cu-Ni-Si合金在723K和673K溫度時效的早期發(fā)生了調(diào)幅分解相變。忽略彈性應變能作用時，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。考慮彈性應變能作用時，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，計算的調(diào)制波長

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

7、盤形δ-Ni2Si析出相的析出長大過程，基于Avrami方程形式，得到了該合金的析出動力學方程。對單個δ析出相的模擬結(jié)果表明，彈性能各向異性促進了δ析出相沿長度方向（徑向）的長大，界面能各向異性促進了δ析出相沿厚度方向的長大，在界面能和彈性能各向異性的共同作用下，最終導致δ-Ni2Si析出相的形態(tài)呈盤狀。對多個δ-Ni2Si析出相的模擬結(jié)果表明，當一個析出相粒子與另一不同位向的析出相粒子碰撞，則停止長大，結(jié)果形成“T”字型;當兩個位向相

8、同的析出相粒子相遇時，如果二者之間距離非常近，它們會連接在一起，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晶粒長大影響的相場模型，并針對Cu-Ni-Si合金再時效過程中δ-Ni2Si析出相對再結(jié)晶晶粒長大的影響進行了模擬。結(jié)果表明，彌散分布的δ-Ni2Si粒子表現(xiàn)出強烈釘扎晶界的作用。再結(jié)晶晶粒長大初期符合n=0.15～0.35的指數(shù)長大規(guī)律，明顯小于純單相系統(tǒng)的長大指數(shù)