α-β鈦合金晶體缺陷附近α相析出機制的相場法研究.pdf

1、a/p兩相鈦合金的力學性能，如強度、斷裂韌性和疲勞壽命均呈現(xiàn)明顯依賴于a相微觀結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。通過調(diào)控熱加工工藝過程中的微觀組織，實現(xiàn)材料綜合性能的優(yōu)化是多年來鈦合金研究的重點。熱加工過程中產(chǎn)生的晶體缺陷對a析出相的空間位向、分布和形貌等結(jié)構(gòu)特征有重要影響，從而影響最終的力學性能。然而，這一影響的過程和機制十分復雜，因為單個P晶粒內(nèi)可能析出的a相的取向變體高達12種之多。雖然大量實驗結(jié)果證明微觀結(jié)構(gòu)和加工工藝存在一定聯(lián)系，但更為根本的晶體缺

2、陷和a析出相微觀結(jié)構(gòu)之間的動態(tài)量化關(guān)系卻超出了目前實驗手段所能觸及的范圍。鑒于此，計算和模擬方法應運而生，成為揭示晶體缺陷附近材料微觀結(jié)構(gòu)特征的一種有效手段。
　　本文通過采用三維相場模型，結(jié)合位錯晶體學、各向異性彈性力學，系統(tǒng)地研究了三種不同維度的典型晶體缺陷，即位錯(一維），晶界(二維）以及初生a片層(三維）在動態(tài)演化過程中對卩—a相變微觀組織形成的影響；通過考慮晶體缺陷附近a相的析出行為隨著晶體缺陷類型的不同而不盡相同的特征

3、，論文所研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　(1)本文研究了P基體中三種類型的位錯，即，直線型刃型/螺型位錯以及混合型位錯環(huán)對a析出過程的影響。當p基體中存在位錯時，位錯和a析出相的彈性相互作用主導了形核階段a相的變體種類和析出位置，而a析出相的慣習面和位錯的相對位向則主導了a相的動態(tài)生長過程。通過對模擬結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，不同類型位錯和a析出相之間的彈性相互作用能為350?1500J/mol，且刃型位錯與a相的彈性相互作用比螺型位錯與a

4、相的彈性相互作用更強。同時，a相的空間位向分析顯示12種等效的a變體中，只有部分a變體能在位錯附近析出，導致相變過程中變體選擇現(xiàn)象的發(fā)生。定性和定量計算均顯示，刃型位錯對a相空間位向的選擇作用大于螺型位錯，即刃型位錯的存在將導致更大程度的變體選擇程度。而過冷度對變體選擇的影響則主要體現(xiàn)在相變過程中化學自由能和a析出相-位錯之間的彈性相互作用能兩個相變驅(qū)動力的相對大小。另外，本文還提出了定量表征變體選擇程度/微觀織構(gòu)程度的數(shù)值計算方法，該

5、方法不僅可用于計算模擬結(jié)果的變體選擇程度，也可以通過讀取實驗觀測結(jié)果（如EBSD位向信息），定量計算實際樣品中的微觀織構(gòu)程度。
　　(2)本文研究了小角度晶界（錯配角度0m<10°)附近晶界無定形a相(GBa，grain boundary allotriomorphs)和晶界魏氏組織片層（W S，Widmanst a tten side-plates)的析出過程。小角度晶界的幾何結(jié)構(gòu)通過Frank-Bilby理論由位錯網(wǎng)絡(luò)進行描述

6、。GBa和W S的形貌、分布和相對體積分數(shù)隨晶界類型、錯配角度以及相變時間變化。對于傾轉(zhuǎn)晶界，G B a主要由近等軸狀的a顆粒組成，只在較小的下形成，并隨著的增大逐漸消失;對于扭轉(zhuǎn)晶界，GBa主要由兩類層狀a析出相組成，一類在0磯較小時以一維方式貼近晶界平面生長，而另一類在較大時同時以一維和二維的方式貼近晶界平面生長。另一方面，WS則從晶界位錯向P晶內(nèi)生長，而其體積分數(shù)和空間分布依賴于晶界參數(shù)。一般地，a析出相的形貌和變體選擇過程由多因

7、素共同控制，這些因素包括i) a晶核和晶界位錯網(wǎng)絡(luò)的彈性相互作用能（包括其大小和分布） ii) a析出相的慣習面和晶界位錯/晶界平面的相對位向和iii)晶界錯配角度。不同因素對a析出相變體選擇的影響機制各不相同，這些因素既可以相互促進也可以相互競爭。且在析出的不同階段（形核階段/生長階段)，變體選擇的主控因素也不同。
　　(3)本文研究了不同a變體之間的彈性相互作用，并探索了其對形成由多變體組成的a簇的內(nèi)在影響。微彈性理論計算結(jié)果

8、顯示，初生a片層的應力場呈現(xiàn)較強的各向異性。當初生a片層作為相變初始微觀結(jié)構(gòu)時，后續(xù)相變過程中次生a相將在初生a片層附近析出，并呈現(xiàn)一定程度的變體選擇現(xiàn)象。在本文模擬結(jié)果中，僅有特定位向的a變體才能被初生a片層選擇，并在不同的位置析出，且初生a片層和由其誘發(fā)的次生a變體之間的a/a相對位向類型與實驗觀察結(jié)果十分吻合。這些a/a相對位向類型的形成源于初生/次生a相之間的彈性相互作用和次生/次生a相之間的競爭作用。a變體之間的相互誘發(fā)作用，