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题名	高温结构合金中微观组织演化的相场模拟
作者	王刚
学位类别	博士
答辩日期	2008-05-27
授予单位	中国科学院金属研究所
授予地点	金属研究所
导师	杨锐
关键词	钛合金 镍基高温合金 微观组织演化 相场
其他题名	Phase field simulation of microstructural evolution in high-temperature structural alloys
学位专业	材料学
中文摘要	钛合金和镍基高温合金属于常用的高温结构合金，由于其具有优异的高温力学性能而成为航空发动机中的关键材料。航空航天等高温工程领域的进一步发展对这两种合金的性能提出了更高的要求，迫切需要开发出性能更优异、价格更便宜的新产品，而要想提升合金性能，深刻地理解合金中微观组织的形成机制和演化规律就显得十分必要，这对于指导合金设计和组织控制具有重要意义。 然而，由于微观组织的多样性和复杂性，采用理论或者实验的手段来进行研究都面临相当大的困难。近年来，计算材料学的兴起及其迅猛发展为材料科学和工程研究提供了强有力的工具，使得我们可以采用计算机模拟的方法来研究微观组织方面的问题。本工作采用介观尺度上的相场方法来研究钛合金和镍基高温合金中的微观组织演化过程。 本文首先研究了钛合金中片状组织的形成和长大。建立了Ti-6Al-4V合金中beta-alpha扩散型相变的相场模型，在暂时忽略弹性相互作用的情况下，分别考察了界面能各向异性和热处理温度对合金中片状形貌的影响，结果发现界面能的各向异性能促进片状形貌的形成，并且随着界面能各向异性程度的不同，alpha簇可以呈现出棒状、短片状、长片状等不同的形貌特征，热处理温度的不同则会改变alpha簇的生长速度和片层间距，当温度过高时，即使相变能够进行也得不到片状组织。 采用定量相场模型研究了Ni-Al二元合金中gamma prime颗粒的溶解动力学。先对一维和三维空间中的单个gamma prime颗粒的溶解进行了模拟，并分别与解析解和基于突变界面模型的数值解进行了比较，验证了该定量相场模型的正确性和可靠性，然后将该模型应用于三维空间中多个gamma prime颗粒溶解的情况，研究了不同的初始颗粒尺寸分布对溶解动力学的影响。模拟结果表明平均颗粒尺寸变化对初始颗粒分布非常敏感，而不论初始颗粒尺寸分布如何，颗粒的体积分数均是随时间指数减少，但溶解速率与初始颗粒尺寸分布密切相关。 接着对含有第二相颗粒的体系中的晶粒长大现象进行了相场模拟，建立了颗粒钉扎（又常称为Zener钉扎）的相场模型，分别研究了二维和三维空间中的Zener钉扎现象。在二维情况下，介绍了一种可以直接将实验电子扫描照片转化为数据文件的方法，从而可以将之用作相场模型的初始输入，使得相场模拟与实验更加紧密地结合起来。在三维情况下，首先讨论了颗粒尺寸对于钉扎力的影响，通过相场模拟与理论计算的比较，确定了在相场模型中可以采用的最小颗粒尺寸。大尺度的三维模拟结果显示，颗粒在三维空间中对界面的钉扎力比二维中要弱，而且发现颗粒的尺寸分布对最终的稳定晶粒尺寸有影响，当钉扎颗粒大小不一时，需要引入一个新的参量来表征体系内颗粒的Zener效应，并在此基础上提出了改进型的Zener公式。最后还研究了界面的共格性对颗粒钉扎的影响。在对gamma prime颗粒溶解和Zener钉扎同时进行相场模拟后，提出了镍基高温合金René 104中的晶粒长大第一代快速执行模型。 René 104合金的第二代晶粒长大模型则包含了锻造工艺对晶粒长大的影响。本文分别考察了变形存储能、gamma prime颗粒溶解速率和初始晶粒尺寸分布等因素对晶粒长大动力学的影响，结果表明前两者对晶粒长大的影响较为有限，而初始晶粒尺寸分布可以明显的改变晶粒长大的动力学变化过程。提出了晶粒长大的平均场统计模型，研究了没有钉扎力、钉扎力为恒定值和钉扎力随时间递减等三种情况下的晶粒长大情况，发现当钉扎力可以变化时，可能会发生反常晶粒长大，并导致最终的稳定晶粒尺寸超过Zener极限。以此为基础提出了第二代快速执行模型，可以用来预测热变形和热处理过程中晶粒尺寸的变化情况。
语种	中文
公开日期	2012-04-10
页码	141
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/17113]
专题	金属研究所_中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	王刚. 高温结构合金中微观组织演化的相场模拟[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所. 2008.

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