在外應力場下六方結構-正交結構相變過程的相場法模擬研究.pdf

1、由于航天、航空重要材料Ti及其化合物合金制備和加工的高成本，該類合金的顯微組織演變計算機模擬的研究顯的尤為重要。而相場法模擬的研究多集中在有序一無序轉變和高對稱性立方晶系相變等較簡單顯微組織演變的范圍，本論文研究了相場法六方/正交結構固態(tài)相變顯微組織演變的模型，構建了六方/正交相變各變體的相變應變張量，構建了外加應力在不同方向施加的應變張量，采用Matlab軟件編程制做了計算模擬程序。選用參考文獻[98]中，按照Ti-Al-Nb合金中六

2、方母相α<,2>向正交生成相O相的相變熱力學參數(shù)，所確定的自由能密度函數(shù)f中的各唯象參數(shù)，并研究選取了形核參數(shù)Amp=0.3、形核循環(huán)步數(shù)N<'noi>=150、和彈性作用能系數(shù)φ=20。所模擬的合金組織與文獻[98，94]所模擬結果有較好的相容性，與文獻[90，89]報道的實驗顯微組織照片有很好的一致性。 本研究選取Ti-25Al-(10～12)Nb合金為例進行模擬，不僅因為合金的重要性，也是考慮到六方/正交相變的低對稱性對外

3、加應力的作用敏感，而外場作用下的相變又是材料學界近年研究的熱點，通過本模擬探索在等溫相變時利用外加應力的方法改善TiAlNb合金顯微組織的新途徑，或為控制顯微組織提供參考數(shù)據(jù)，本模擬研究選取的等溫相變的溫度為1000K。 模擬研究得出：外加應力對六方/正交相變的顯微組織形成具有顯著作用，這種作用存在一個外加應力大小的臨界值(用該力產(chǎn)生的彈性應變ε<'M>min表示)，該值對于Ti-25Al-(10～12)Nb合金約為390MPa

4、。隨著外加應力的增大，相變析出正交相的平均尺寸顯著增加，同時析出相的尺寸標準差也增大。外加應力的大小可以顯著的影響正交析出相的體積分數(shù)，對于Ti-25Al-10Nb(at％)合金，外加應力的大小對析出相體積分數(shù)的影響可達70％。合金成份Nb對產(chǎn)生顯微組織變化的外應力最小臨界值有顯著影響，當合金成份從10％變到12％時，ε<'M>min值由0.1增加到0.25的相變應變，這表明Nb的增加需要更大的外應力才可以改變合金的顯微組織。外加應力方

5、向也對合金的顯微組織有重要影響，外應力方向對生成O相的數(shù)量有明顯的影響，作用可達24％。外應力作用方向不同時，對低Nb含量合金的顯微組織尺寸影響很小，然而對高Nb含量合金顯微組織尺寸影響顯著，角度偏離可使高Nb合金生成相尺寸減小20％。本研究模擬試驗發(fā)現(xiàn)，在Ti-25Al-10～12Nb(at．％)合金的適當方向加一個適當大小的外應力，合金中可以形成全片層組織．試驗證明可以在γ-TiAl合金中實現(xiàn)全片層組織，并顯著改善綜合力學性能，但在

6、本文研究的Ti<,3>Al合金體系中以前沒有見到任何實現(xiàn)全片層組織的試驗和模擬結果報道，因此，本研究結果有重要理論和應用意義。為此，本研究對合金中形成全片層的外應力和成分條件進行了認真研究。 研究表明：外加應力的大小對于全片層組織的形成存在一個臨界值(ε<'a>min)，只有大于這個臨界值才能產(chǎn)生全片層組織，應力類型、合金成份等因素都影響這個值，本模擬實驗中這個臨界值最低為1.95GPa。外加應力方向對形成全片層組織具有十分重要

7、的作用，拉應力形成全片層組織的最佳方向為六方母相的<1120>，偏離這個方向±2°，無論應力如何都不能產(chǎn)生全片層組織。合金成份Nb對臨界值(ε<'a>min)的影響顯著，當合金成份從10％變到12％，ε<'a>min值由0.65增加到0.9相變應變，這也表明Nb的增加不利于形成全片層組織。如果外加應力為壓應力，形成全片層組織的最佳方向為<1010>，同樣當角度偏離±2°就不能產(chǎn)生全片層組織，而ε<'a>min的值比拉應力時低約23％。

8、 另外，本研究還對外加應力條件對全片層組織形貌的影響進行了模擬研究。結果表明：隨外加拉應力的增加，析出相片層寬度增加，而片倒距顯著減小。而且，施加外加壓應力全片層組織的形貌比施加拉應力時有所變化，相同應力水平下，壓應力產(chǎn)生的全片層組織的片層寬度較小，而片間距較大，并且片層尺寸隨應力大小變化而變化的速率，壓應力比拉應力緩慢。 最后需要指出，該合金系統(tǒng)外加應力條件下的等溫處理組織和性能的試驗研究應該盡快進行，驗證和應用本模擬的