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金属材料微观组织结构演化研究

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1金属材料的微观结构和性能

1.1金属材料的微观结构金属材料的微观结构就是指所有热力学非平衡态的晶格缺陷在空间分布的集合。在工业中具有特殊性能的金属材料都具有一定数量的缺陷,这种缺陷决定了金属材料的塑性、强度等性能。这种缺陷可以分为4种:点缺陷、线缺陷、面缺陷以及体缺陷。具体4种缺陷的特征以及典型代表见表1。对于这些金属材料的微观学分析,根据热力学第二定律可以知道,宏观的晶体颗粒中的点缺陷是不可避免存在的。如果要消除线缺陷、面缺陷以及体缺陷中的各种缺陷,从热力学的角度分析是可能发生的,但是这种工艺要求极其严格和复杂,并且生产成本非常高,这在一般的工厂生产中是不大可能去实现的。

1.2金属材料的性能在工业生产以及日常应用中用到的金属材料的性能一般包括使用性能和工艺性能,其中力学性能是使用性能中非常重要的一种。具有代表性的就是强度、韧性、可塑性、硬度等等力学性能,其中强度和韧性是衡量金属结构材料的关键的力学性能指标,较高的强度和韧性能够降低成本提高金属制品的使用寿命。(1)强度金属材料的强度就是指在强大压力、拉伸等外力下金属抵抗变形和断裂的能力,金属材料的高强度一直是人们追求的目标,因为金属材料在外界环境作用下,只有具有较高强度才能够保证各个部件安全正常运转。(2)塑性在工业生产中,大型建筑以及桥梁、船舶等对于塑性的要求非常高,而影响塑性的因素有两个:一是由金属材料的微观结构决定的;二是由外界环境条件决定的。加强微观结构均匀性、合理调节金属材料的变形温度及速度对于提高金属材料的塑性有重要的指导作用。(3)韧性韧性对于金属材料的抗断裂变形有重要意义,决定金属材料具有较高韧性的关键性因素就是微观结构的缺陷,比如材料微观组织有位错、晶粒粗化等现象就会使金属材料的韧性降低。

2相场法概述

相场法是建立在热力学基础上的一种方法,它将有序化势和化学驱动力有效的融合在一起,从而建立起一个能够准确的描述系统演化动力学模型的相场方程。相场法的核心思想就是有效引入一个或者是多个场变量,描述界面也不再是传统的尖锐界面,而是被替换成了弥散界面。另外,相场法通过外部场如温度场和溶质场等能量场的耦合作用,实现了宏观和微观上有效结合。在利用相场法进行金属微组织结构的模拟过程中,不需要追踪界面的具体位置,能够对晶界上出现或者是聚集的第二项问题进行仔细分析和处理,而且考虑综合全面,具有良好的应用效果。

2.1相变量的选取相变量的选取是否恰当对于相场法的实施具有直接的影响。在相变量的选取过程中既不能忽视掉原本就具备的物理因素,同时还不能引入一些无关紧要的因素。一般情况下,在金属微观材料的演化过程中,相变量也是代表动力学特征发挥出了主要作用。

2.2构建自由能函数作为相场法中最为关键的一大环节———自由能函数的构建。

2.3主要步骤(1)首先分析研究的对象,根据具体的特征建立物理模型,使其能够反映研究对象的本质。(2)针对建立的物理模型,创立其基本方程并找出该过程需要的所有数据参数。(3)选择一种合理的数值计算方法来对创建的基本方程进行求解,将求解区域离散化处理,最后在计算机上模拟流程应用相场法进行金属结构微观组织的演化模拟。

3相场法应用举例

在金属材料的微观结构模拟方法中,相场法的应用具有独特的优势。在相场法中,不需要追逐界面的位置,同时也有效解决了CA和MC方法。由于不能测量长程相互作用的局限性,凭借其自身技术优点,相场法在短时间内迅速成为了一大热门方法,而且在材料领域研究工作中得到了较为广泛的应用。

3.1凝固过程在我国金属凝固过程的研究领域,许多学者如张玉妥等人对Fe-C合金的枝晶形貌的影响因素包括过冷度和界面厚度以及其他各方面的影响因素进行了分析;王锦程等人对多元合金枝晶生长的形态发展和偏析现象利用多元合金相场法进行了研究;朱昌盛等人对处于受迫流动下的枝晶非对称生长以及流速对层流层的分布和温度分布的影响利用相场法进行了定量的模拟。

3.2再结晶过程所谓再结晶过程就是在变形组织的基体中,已发生变形的晶粒逐渐被无形变的等轴晶粒所替代的过程。再结晶过程属于金属材料在冶金过程中重要的物理过程之一,属于一套重要的晶粒软化和细化机制,能够对微观组织的变形控制以及材料力学性能和塑性成形能力的提高提供一定的技术支持。在再结晶过程中退火也是实现工业控制和金属材料的组织结构以及性能等方面重要转变的有效手段。另外,再结晶晶粒的大小也直接影响金属材料的性能。

3.3晶粒的长大过程在多晶材料中经常存在一种现象就是晶粒的长大,这一现象对于材料的性能也产生了重大的影响。早在20世纪90年代中期,著名研究学者CHEN和YANG提出了一种扩散界面的相场模型,对单晶粒长大的演化过程进行了模拟,其主要的研究特点就是将界面实行了弥散化处理。之后,CHEN和YANG将相场模型成功的从单向系统推广到了双相系统,另外还模拟了两相晶粒的长大过程。紧接着KAZARY等人对晶界能和晶界迁移的各种异性情况下的晶粒增长过程进行了模拟,MA等人还对晶界能的各向异性组织结构的影响进行了分析。

3.4固态的相变过程金属或者合金固态相变最终的目标就是更好完成对金属或合金中化学成分和组织架构的调整,使材料具备人们在实践中所需要的各种性能。在固态的相变方面,相场法无论是在扩散性相变还是在非扩散性相变过程中都有着比较广泛的应用。

4结语

金属材料作为我国国民经济中的重要物质基础,目前,对其在宏观层面的研究已经相对完善,而对其微观结构层面的研究还存在着一定的不足。同时由于金属材料的微观结构对其性能有着直接的影响,所以加大对金属材料微观结构的研究工作已成为一项迫在眉睫的重要任务。相场法在金属微观结构研究方面的应用,对相关研究工作提供了一定的技术支持,相信随着科学技术的不断进步,这方面的研究工作将更趋完善。

作者:姚海宁 单位:合肥工业大学

金属材料微观组织结构演化研究责任编辑:杨雪    阅读:人次