發(fā)布時間：2020-03-09 18:01

【摘要】：基于集成計算材料工程的思想,結(jié)合CALPHAD、相場動力學模擬與關(guān)鍵的實驗測量手段、以及鈦合金中最新發(fā)現(xiàn)的非傳統(tǒng)的固-固相變機制,和近來提出的偽調(diào)幅分解相變機制為鈦合金微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了新的方向。這一機制首先被Ni和Khachaturyan提出并用來解釋斜紋組織的形成,并被Fraser等人引入到鈦合金體系,Banerjee和Wang等人通過實驗和模擬證明了其正確性,這種新的轉(zhuǎn)變路徑為設(shè)計具有超細、超均勻α+β相微觀結(jié)構(gòu)新型鈦合金提出了新的設(shè)計思路,并且有可能產(chǎn)生新的機械性能。另外,為了擴展制備超細、超均勻鈦合金微觀結(jié)構(gòu)所需的溫度及成分范圍,基于存在的熱力學數(shù)據(jù)庫,Fraser等人提出了一種通過預先預相分離來產(chǎn)生成分和結(jié)構(gòu)不均勻,進而改進鈦合金微觀結(jié)構(gòu)的新方法,作者團隊基于熱力學數(shù)據(jù)庫和相場動力學的計算機模擬證明了其存在。對集成計算材料工程方法在提高設(shè)計與選擇具有超細、超均勻微觀結(jié)構(gòu)的鈦合金的效率方面進行了評論總結(jié),集成計算材料工程為鈦合金的開發(fā)設(shè)計提供了新的思路。
【圖文】：

熱頌岢雋松杓?超細鈦合金兩種新機理。偽調(diào)幅分解機理:成分起伏導致在α相穩(wěn)定化元素富集區(qū)(或β穩(wěn)定化元素貧化區(qū))的β相發(fā)生β迤→α等成分轉(zhuǎn)變。然后，在等溫回火過程中，母相β和產(chǎn)物相α的長程擴散分離導致各相成分向平衡成分靠近。預相分離機理:母相β預先分離成在空間均勻分布的納米尺度的β相穩(wěn)定元素富集區(qū)和β相穩(wěn)定元素貧化的區(qū)域(α相穩(wěn)定元素富集區(qū))，在后續(xù)相變中β相穩(wěn)定元素貧化的區(qū)域轉(zhuǎn)變成α相。偽調(diào)幅分解的機理包括成分(c)位于母相與生成相自由能成分曲線交點(c0(T)成分)附近的母相分解(如圖1a所示)。即很小的成分起伏驅(qū)動母相沿著c0(T)的反方向移動分解成細小均勻分布的β相穩(wěn)定元素貧化和富集區(qū)(類似調(diào)幅分解的成分起伏漲落)。其中β相穩(wěn)定元素貧化的區(qū)域(clean)等成分轉(zhuǎn)變?yōu)槌煞诌h離平衡的具有HCP結(jié)構(gòu)的α相。最后恒溫回火過程中，通過連續(xù)的長程擴散驅(qū)動母相α和生成相β的成分向平衡成分轉(zhuǎn)變。除此以外，β相中存在真正的調(diào)幅分解區(qū)，預示了可能出現(xiàn)的預相分離機理(圖1b所示)。母相β預先分離成在空間均勻分布的納米尺度的β相穩(wěn)定化元素富集區(qū)域(crich)和β相穩(wěn)定化元素貧化(clean)的區(qū)域，在后續(xù)相變中clean區(qū)域由于成分相近而轉(zhuǎn)變成α。由于兩種β固溶體具有不同的點陣參數(shù)，可以預計在它們之間會形成一個共格應力場，這個應力場在α相的形核過程中產(chǎn)生影響。上面所描述的β迤→β+α轉(zhuǎn)變的復雜途徑是由β相中兩種不穩(wěn)定性:成分不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性相互競爭的結(jié)果。因此為了加強或抑制某種途徑，需要通過調(diào)整合金成分和熱處理制度來調(diào)整兩種不穩(wěn)定性的相對強度。圖1鈦合金中的兩種非經(jīng)典形核機理:(a)偽調(diào)幅分解機理，，(b)預相分離機理Fig.1(a)Pseudo-spinodalmechanis

中國材料進展第34卷(包括:化學、彈性和界面能)都是由一個包含了局部化學、結(jié)構(gòu)以及他們的空間變化(梯度)的泛函來描述。不論是調(diào)幅有序化/分解或者通過形核長大的相分離，在多維自由能成分曲面(勢能面)上的最小能量路徑自動決定了轉(zhuǎn)變路徑和沿著該路徑的母相和生成相之間微觀結(jié)構(gòu)狀態(tài)。圖2描述了基于相場動力學的鈦合金中相關(guān)機理對應的微觀結(jié)構(gòu)模擬及相對應的實驗觀察［16］，圖3描述了殘余應力影響下多晶β相中α相析出過程中的晶向選擇的相場模擬［12，17］。相場動力學模擬可以完美地描述鈦合金不同狀態(tài)下的微觀結(jié)構(gòu)，是設(shè)計先進鈦合金的重要工具。然而，相場動力學方法所預測的相變路徑與相對應的微觀組織結(jié)構(gòu)的準確性和定量化程度取決于所使用的自由能曲面(考慮界面共格應變和界面缺陷對自由能曲圖2相場模擬預測的顯微組織與實驗結(jié)果的對比(實驗結(jié)果來自Fraser小組研究工作):(a)織構(gòu)控制的晶粒生長，(b)交叉板和包狀顯微結(jié)構(gòu)，(c)球形α，(d)邊片α，(e)網(wǎng)籃狀結(jié)構(gòu)，(f)調(diào)幅分解產(chǎn)生的成分分布［16］Fig.2MicrostructurecomparisonsbetweenphasefieldsimulationsandexperimentsofTialloys［16］圖3殘余應力影響下多晶β相中α相析出過程中的晶向選擇的相場模擬:(a)起始單相β的多晶顯微組織，(b)多晶樣品在一個體積元中的應力場(σ11)，(c)在(b)的局部應力狀態(tài)影響下一個晶粒中形成的α相團，(d)在沉淀過程中不同晶向的體積分數(shù)隨時間的變化，(e)實驗觀察到的微米織構(gòu)和裂紋萌生之間的相關(guān)性［12，17］Fig.3PhasefieldsimulationsofvariantselectionofαphaseinTialloys［12，17］284

【共引文獻】

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