！合金中片层组织形成的相场模拟！.PDFVIP

!#$%#’( 合金中片层组织形成的相场模拟! 王 刚 徐东生! 杨 锐 （中国科学院金属研究所，沈阳 ##$ ） （ %## 年 % 月 ’ 日收到； %##’ 年 月 ( 日收到修改稿） )*+$,-+(. 是典型的 ! / 钛合金，不同热处理制度和热加工工艺下可得到形貌各异的微观组织，从而表现出 不同的力学性能，深刻理解合金中微观组织的形成机制有助于合金的进一步优化和改造 0 采用相场方法模拟 )*+$,-+(. 合金中片层组织的形成及演化，以热力学数据库和动力学数据库为输入，通过计算定量预测 晶界上已存 在初生 ! 相时合金组织随时间的演化 0 结果表明，在一定条件下，随着时间的延长晶界 ! 向 晶内生长形成片层组 织，片状 ! 簇的形貌与界面能各向异性密切相关；晶界取向对片层生长有重要作用，垂直于晶界生长时产生最密集 的片层，随倾斜角增大片层加厚且生长缓慢；此外，热处理温度显著改变片层组织形貌，温度越高，片层尖端生长速 度越慢，片层间距越大 0 关键词： )*+$,-+(. ，相场模拟，片层组织 )%** ： %%#1 ， $223 ! 国家重点基础研究发展计划（批准号： %##$45$#2#( ）资助的课题 0 ! 通讯联系人 0 6+78*- ： 9:;= *70 8?0 ?@ A 引 言 钛合金具有密度低、强度高、耐高温、抗腐蚀等 优点，被广泛用于航空航天、医疗、化工、体育用品等 领域［］ 0 这类合金的力学性能强烈依赖于其微观组 织，为更好地对合金的工艺进行优化与改进，有必要 深刻理解各种微观组织的形成机制以及演化规律 0 )*+$,-+(. 是最常见的 ! / 钛合金，其用量达 钛合金总用量的一半 0 随着温度的变化，高温 相 （体心立方结构）会转变为低温 ! 相（密排六方结 构），但在不同的热处理条件下，这种转变会导致 )*+$,-+(. 合金呈现出等轴、片层和双态组织三种典 型形貌，并表现出不同的力学性能 0 一般而言，等轴 组织具有较高的强度、塑性和疲劳强度［%］；片层组织 具有较好的蠕变性能、断裂韧性和抗裂纹扩展能 力［B］，但塑性和低周疲劳性能较差［(］；双态组织则综 合了等轴和片层组织的特点，不仅具有优良的室温 性能，而且蠕变性能、疲劳性能及热稳定性良好［2］ 0 随着损伤容限设计思想在钛合金上的应用，钛 合金的抗裂纹扩展性能和断裂韧性受到了越来越高 的重视，片层组织成为研究热点 0 迫切需要通过改善 热处理工艺来控制片层组织参数（如片层长宽比、片 层间距等），优化片层组织的力学性能，在保证较高 损伤容限性能的前提下提高其塑性 0 然而目前的实 验手段还无法对高温下发生的微观组织演化进行实 时的细致观察，使得片层组织的形成机制以及组织 参数与热处理工艺之间的定量关系尚不明确 0 随着计算材料学方法的发展，可采用计算机模 拟的方法对材料中的微观组织演化过程进行研究 0 在介观尺度上，相场方法由于避免了对界面的跟踪 从而可以处理各种复杂的组织形态 0 因此本文采用 相场方法来模拟 )*+$,-+(. 合金中片层组织的形成 过程，并探讨界面能各向异性和热处理温度对片层 形貌的影响 0 % A 相场模型 相场方法以 C*@DEF+G8@98 相变动力学理论为 基础，主要应用于材料微观组织演化的研究，在过去 的十几年中获得飞速的发展，并在凝固、固态相变、 晶粒长大与粗化等方面得到广泛的应用［$—］ 0 相场模型采取场变量来表征研究体系 0 对于 )*+$,-+(. 合金中的 + ! 相变过程，需两个浓度场变 第 2 卷 专刊 %##’ 年 $ 月 ###+B%’#H%##’H2 （专刊） HIB(B+#$ 物 理 学 报 ,4), J3KIL4, ILML4, .N-02 ， IOP?*8- ， Q@P ， %##’ # %##’ 4R*@0 JRS:0 IN?0 量 ! ! ， ! # 来描述两相中的溶质浓度以及一个结构 场变量 ! 来表征两相的晶体结构差异，设 ! $ % 表 示基体相 ! ， ! $ 表示生成相 ，则体系总的自由能 可表示为 $ # ’ ! # ’ ( ! $% ) # $ ! # % ( ) ! *# ( + , （ ） 这里， # ’ 是摩尔体积， # 是系统总体积， ! $% 为梯度 项系数张量， ’ 为局域摩尔化学自由能函数， + 为 体系的弹性能 , ’ 可写为 ’ $ ’ （ ! ） ’ ( （ - ’ （ ! ）） ! ’ ( ! )（ - ! ）)， （ ) ） 式中， ’ （ ! ） $ ! .（ % - / ! ( 0 ! )）， 为能垒系数， ’ 和 ! ’ 分别为 相和 ! 相的摩尔自由能，均为成