相场法研究弹性场及微量元素调控Fe-Cu-Mn-Ni-Al合金富Cu相析出过程

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含Cu钢在辐照或时效处理中会析出纳米尺度富Cu相,产生析出强化作用提高钢屈服强度、抗拉强度、硬度等力学性能指标;但在核反应堆压力容器(RPV)应用中,辐照诱发相会导致韧-脆转变温度升高,脆化现象出现,限制核反应堆使用。为制备高强合金钢或避免辐照服役中热脆现象发生,掌握并调控富Cu相析出行为对改善其综合性能尤为关键。固态相变中,两相间共格弹性应变能以及微合金元素对析出相变路径以及微观组织形态具有显著影响,因此探明弹性以及合金化对于相变组织的调控规律具有重要意义。鉴于此,本文基于热力学亚规则溶体模型以及微观弹性理论,建立耦合弹性场的五元相场模型,研究了五元Fe-Cu-Mn-Ni-Al合金在等温时效过程中相变机制,阐明了弹性场以及微量合金元素对相变组织结构以及生长动力学的调控规律。根据Fe-Cu-Mn-Ni-Al体系热力学分析结果,利用双相线以及失稳线将合金区域分为失稳区以及亚稳区两部分。对两区域内含不同Cu成分合金析出过程进行模拟,说明内弹性畸变和外应变效应对合金组织形貌的调控规律。研究发现,无论是失稳区还是亚稳区,Cu/Mn/Ni/Al原子在扩散偏聚并形成稳定Mn Ni Al@Cu核壳状结构中共经历了以下几个阶段:(Cu/Ni/Al/Mn)偏聚态,其中Mn/Ni/Al微量;(Mn Ni Al(Cu)Mn Ni Al),单壳层结构;(Mn Ni Al(Mn(Cu)Mn)Mn Ni Al),双壳层结构;Mn(Ni Al(Mn(Cu)Mn)Ni Al)Mn,三壳层结构。其中Mn Ni Al环壳相以非经典形核的方式依附在α-(bcc-Cu)或γ-(fcc-Cu)外侧,同时外壳层存在会抑制析出相的粗化以及结构转变,我们的模拟结果与现存实验研究基本相同,进一步证明了模型准确性。失稳区内,在考虑弹性应变能后,成分起伏波发生分解形成独立颗粒的时间有所缩短,同时成分波由杂乱排列变为规则垂直交叉排列;在弹性各向异性作用下,颗粒沿着弹性“软”方向<11>进行取向排列,由弥散分布球状转变为整齐排列椭球状或棒状颗粒。亚稳区内,内弹性作用会抑制颗粒相析出,使颗粒具有向<11>方向取向排列的趋势,但不明显;在外应变作用下,颗粒沿特定方向生长,根据两相弹性不均匀性比较,颗粒会沿外应变方向的垂直方向进行取向生长,且生长速率与应变值存在对应关系,大应变条件(0.4%~1.0%)下生长速率为小应变条件(0%~0.4%)下的2倍左右。通过温度以及弹性场调控富Cu相结构转变过程,发现低温下驱动力更大,且温度升高会延长形核过程并阻碍颗粒长大,致使结构转变受到抑制,弹性场也存在类似作用。因此,通过施加不同方向外应变,可以实现对颗粒形貌的有效调控。通过三维相场模拟讨论了Mn以及Ni/Al元素对整个相分离过程的影响。研究表明Mn元素会加快相分离过程并促进后期长大粗化。通过自由能曲线以及体积分数判断,发现随着Mn含量升高,体积分数逐渐增大。然而,Ni/Al元素会阻碍成分波分解,延缓颗粒析出,且随着Ni/Al成分升高,其抑制作用更为明显。通过对后期粗化过程分析并与标准LSW理论对比发现,高Mn含量会加快颗粒长大和粗化速率,拟合后的时间指数分别为0.41、0.42、0.37,均大于其理论值0.33,这主要是由于Ostwald熟化以及颗粒合并两种粗化机制混合作用的结果。然而,增大Ni/Al成分,其数值分别为0.29、0.26、0.32,明显小于理论值,这主要是由于外壳层原子聚集程度加剧,壳层厚度加大,抑制了Cu原子扩散,从而阻碍了富Cu相的长大。Mn/Ni/Al元素引入会限制富Cu相的析出、长大、粗化过程,从而导致颗粒细化以及Ni Al Mn原子聚集。
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