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温度场作用下Fe-Cr合金中空洞演化与迁移的相场模拟

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稀有金属材料与工程 2024年第8期53卷 2193-2199页

作者：朱伟程大钊刘彩艳马聪吴璐张静中国核动力研究设计院第一研究所四川成都610005 西北工业大学凝固技术国家重点实验室陕西西安710072 西安理工大学材料科学与工程学院陕西西安710048

堆芯关键部件材料Fe-Cr基奥氏体钢在高温和辐照环境下长时服役,辐照空位簇聚形成空洞导致辐照肿胀和硬化现象。本模拟采用相场方法耦合中心温度场和一维温度场研究Fe-Cr合金空位簇聚和空洞演化行为。计算结果表明,中心温度场下,温度梯... 详细信息

堆芯关键部件材料Fe-Cr基奥氏体钢在高温和辐照环境下长时服役,辐照空位簇聚形成空洞导致辐照肿胀和硬化现象。本模拟采用相场方法耦合中心温度场和一维温度场研究Fe-Cr合金空位簇聚和空洞演化行为。计算结果表明,中心温度场下,温度梯度促使空位向中心温度高的区域迁移,导致中心高温区域空位浓度高,优先出现空洞形核,空洞尺寸大,低温区域空位浓度低,空洞尺寸小;一维温度场下,体扩散机制控制下,空洞的迁移速度与温度梯度正相关,与初始孔径无关;表面扩散机制控制下,空洞的迁移速度与温度梯度正相关,与初始孔径负相关。该研究结果启发局域组织老化引起的导热不均材料或宏观温度梯度下服役部件的组织和性能预测。

关键词：温度场相场空洞迁移体扩散表面扩散

冷却速率对Mg-Gd-Y三元镁合金凝固组织影响的相场模拟

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稀有金属材料与工程 2020年第11期49卷 3709-3717页

作者：赵雪婷尚闪张天向张瑞杰王先飞李中权韩志强清华大学材料学院北京100084 清华大学先进成形制造教育部重点实验室北京100084 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心北京100083 上海航天精密机械研究所上海201600

结合Mg-Gd-Y体系热、动力学模型,首次考虑冷却速率,建立了Mg-Gd-Y三元镁合金的相场模型。应用该模型模拟了GW103(Mg-1.69%Gd-1.32%Y,摩尔分数)合金在不同冷却速率下的凝固组织微观形貌和成分分布。采用重力铸造法制备GW103合金并对其进... 详细信息

结合Mg-Gd-Y体系热、动力学模型,首次考虑冷却速率,建立了Mg-Gd-Y三元镁合金的相场模型。应用该模型模拟了GW103(Mg-1.69%Gd-1.32%Y,摩尔分数)合金在不同冷却速率下的凝固组织微观形貌和成分分布。采用重力铸造法制备GW103合金并对其进行试验表征以验证相场模型。结果表明,GW103合金呈不发达枝晶形貌且一次枝晶臂具六次对称性,二次枝晶臂呈突起状且无更高次枝晶臂。在多晶粒相场模拟中,随着冷却速率的增加,GW103微观组织细化,晶粒尺寸减小、一次枝晶臂变细、二次枝晶臂数目减少。较高的冷却速率加剧了Gd和Y在枝晶间的溶质富集现象,令成分分布更不均匀。

关键词：相场模拟镁微观结构冷却速率

Ti-6Al-4V中界面能对α相片层生长的影响三维相场模拟

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金属学报 2012年第2期48卷 148-158页

作者：杨梅王刚滕春禹徐东生张鉴杨锐王云志中国科学院金属研究所沈阳110016 华南理工大学材料科学与工程学院广州510640 The Ohio State University Columbus OH 43210 USA 东北大学理学院沈阳110819 中国科学院计算机网络信息中心北京100190

采用相场方法定量模拟了界面能各向异性对Ti-6Al-4V合金片层α相生长的影响.模拟所需的动力学与热力学数据分别来自DICTRA和Thermo-Calc数据库.结果表明,在高温热处理条件下,界面能各向异性是控制α相形貌的重要因素.温度越高α相沿长... 详细信息

采用相场方法定量模拟了界面能各向异性对Ti-6Al-4V合金片层α相生长的影响.模拟所需的动力学与热力学数据分别来自DICTRA和Thermo-Calc数据库.结果表明,在高温热处理条件下,界面能各向异性是控制α相形貌的重要因素.温度越高α相沿长度方向生长越慢,片层的宽度和厚度越大.定量研究了新生α相和残余β相的宽度和厚度随模拟条件的变化,统计结果表明,对应于不同的界面能各向异性,α相的宽厚比演化规律不同,界面能各向异性越强,生成的α相越宽,残余β相宽度也越大.溶质场分析表明,生长过程中溶质分布不均匀,在相界β侧形成了Al贫瘠区和V富集区,且界面能各向异性越强,溶质场不均匀越明显.

关键词：相场 Ti-6Al-4V 界面能各向异性 α相片层成分场

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相场法模拟丁二腈枝晶生长研究

特种铸造及有色合金 2007年第7期27卷 514-517页

作者：陈志陈长乐郝丽梅西北工业大学理学院陕西省凝聚态结构与性质重点实验室西安科技大学基础部

基于相场方法对纯物质的凝固,进行了二维数值模拟。以丁二腈(SCN)为例,展示了界面形貌的演化过程,研究了相场参数对枝晶界面形貌的影响。结果表明,随着各向异性值的增加,晶核由一圆核逐渐发展为发达的枝晶,当γ=1/15时与γ=0一样,晶核... 详细信息

基于相场方法对纯物质的凝固,进行了二维数值模拟。以丁二腈(SCN)为例,展示了界面形貌的演化过程,研究了相场参数对枝晶界面形貌的影响。结果表明,随着各向异性值的增加,晶核由一圆核逐渐发展为发达的枝晶,当γ=1/15时与γ=0一样,晶核生长为一圆核;随着过冷度的增大,二次枝晶出现并长大,枝晶的稳态尖端速度呈递增趋势,且增加趋势明显加快;随着耦合系数的增大,枝晶稳态尖端速度呈递增趋势,且耦合系数越大,界面的稳定性越差。

关键词：相场 SCN 枝晶生长尖端速度

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用捕获液态改进的相场方法模拟三维枝晶生长

金属学报 2002年第12期38卷 1238-1240页

作者：赵代平荆涛清华大学机械工程系北京100084

采用相场方法模拟纯物质三维枝晶生长.在不改变相场模型的条件下,提出界面捕获液态计算方法.赋值计算单元界面标志,只对界面处的单元求解相场变量,当枝晶生长时,捕获液态单元为界面从而推进界面,并对捕获到的单元校正相场变量.论证了该... 详细信息

采用相场方法模拟纯物质三维枝晶生长.在不改变相场模型的条件下,提出界面捕获液态计算方法.赋值计算单元界面标志,只对界面处的单元求解相场变量,当枝晶生长时,捕获液态单元为界面从而推进界面,并对捕获到的单元校正相场变量.论证了该方法的有效性和正确性.通过液态捕获方法加速相场模型的计算,使单晶粒三维枝晶生长模拟在个人微机上实现.计算枝晶生长形态及枝晶尖端生长速度.计算结果表明该方法可行.

关键词：模拟相场枝晶生长微观组织液态捕获

3D相场模拟研究Ti-6Al-4V合金片层组织形貌的影响因素

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金属学报 2024年第9期60卷 1265-1278页

作者：张瑶齐敏孙佳吴婷马英杰王皞杨锐上海理工大学材料与化学学院增材制造研究院上海200093 中国科学院金属研究所沈阳110016 云南锡业新材料有限公司昆明650106

Ti-6Al-4V是典型双相钛合金,不同的微观组织决定其力学性能,但由于缺少晶界α、片层α、α侧枝等相对取向关系的三维信息,难以实现组织的精准调控。本工作基于Pandat和Thermo-Calc热力学数据以及DICTRA动力学数据,采用相场法模拟Ti-6Al... 详细信息

Ti-6Al-4V是典型双相钛合金,不同的微观组织决定其力学性能,但由于缺少晶界α、片层α、α侧枝等相对取向关系的三维信息,难以实现组织的精准调控。本工作基于Pandat和Thermo-Calc热力学数据以及DICTRA动力学数据,采用相场法模拟Ti-6Al-4V合金片层α组织的三维形貌。研究了在820℃热处理温度下,界面能各向异性对片层α生长的影响并分析了不同时刻的溶质场。结果表明,片层α组织的演化形貌受界面能各向异性的影响,界面能各向异性由0.4∶0.1∶1.0增长到0.8∶0.1∶1.0时,片层α由粗大棒状转为细长针状。界面能各向异性越大,片层生长的速率越快。不同界面能各向异性条件下片层α组织的主要差别在于片层的疏密程度和生长速度,而生长方向基本无异,单片层的宽度逐渐变宽。相场模拟结果与实验结果吻合较好,片层组织的三维模拟结果展示出比扫描电镜二维照片更丰富的片层侧枝细节。在3D模拟中可观测到晶粒不同位置处侧枝的形貌。结果表明,侧枝与主片层之间的夹角既有实验观测到的30°,还存在任意角度。

关键词： Ti-6Al-4V 相场片层α 组织界面能溶质场

中子辐照奥氏体不锈钢晶内/晶间孔隙形貌演化的相场模拟

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物理学报 2024年第22期73卷 163-173页

作者：程大钊刘彩艳张超然屈佳辉张静西北工业大学材料学院凝固技术国家重点实验室西安710072 西安理工大学材料科学与工程学院西安710048

奥氏体不锈钢或镍基合金等FCC构型的核反应堆堆芯结构件材料中易于观测到晶间孔隙或晶内各向异性孔隙.孔隙内填充有少量气体,其形貌与晶体表面各向异性有关,又易于在晶界形核受晶界特性调控.本文通过建立耦合晶面各向异性与孔隙-晶界交... 详细信息

奥氏体不锈钢或镍基合金等FCC构型的核反应堆堆芯结构件材料中易于观测到晶间孔隙或晶内各向异性孔隙.孔隙内填充有少量气体,其形貌与晶体表面各向异性有关,又易于在晶界形核受晶界特性调控.本文通过建立耦合晶面各向异性与孔隙-晶界交互作用的自由能泛函模拟孔隙及其形貌演化,研究结果表明,He气体诱导孔隙形核,He气体浓度越高,孔隙的孕育期越短,形核越快,长大速率越大.晶界为孔隙形核提供非均质位点,孔隙优先在晶界处形核长大,形成沿晶析出的高密度弥散孔隙.晶内孔隙呈各向异性特征,受界面能各向异性模数、强度及晶体取向调控;晶间高密度孔隙相互作用且受晶界影响,各向异性形貌不显著,位于晶界中间的孔隙近似呈现椭圆形.本文的结果与实验结果符合得较好,启发堆芯服役构件的寿命预测和堆芯材料设计.

关键词：孔隙各向异性相场辐照

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镁合金枝晶形貌的相场方法模拟

金属学报 2008年第4期44卷 483-488页

作者：缪家明荆涛柳百成清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点实验室北京100084

针对hcp晶系的镁合金,建立了其二维枝晶生长的相场模型.根据该模型编写模拟程序,得到了具有六重对称性的晶粒形貌,并根据模拟结果分析了温度场对其枝晶臂形成的影响;根据该模型耦合热扰动进行镁合金微观组织模拟,从计算结果中观察到了... 详细信息

针对hcp晶系的镁合金,建立了其二维枝晶生长的相场模型.根据该模型编写模拟程序,得到了具有六重对称性的晶粒形貌,并根据模拟结果分析了温度场对其枝晶臂形成的影响;根据该模型耦合热扰动进行镁合金微观组织模拟,从计算结果中观察到了枝晶臂相互竞争、改变优先生长方向、颈缩、熔断、融合等现象;计算得到的枝晶形貌与实验结果较为吻合.同时还研究了参数的选取对镁合金枝晶发育的影响.

关键词：相场镁合金枝晶形貌数值模拟

Ti-6Al-4V合金β→α相变中晶界α相形成机制的相场模拟

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金属学报 2020年第8期56卷 1113-1122页

作者：孙佳李学雄张金虎王刚杨梅王皞徐东生中国科学院金属研究所沈阳110016 中国科学院大学北京100049 华南理工大学材料科学与工程学院广州510006 江苏理工学院材料工程学院常州213001 中国科学技术大学材料科学与工程学院沈阳110016

使用相场模型研究了Ti-6Al-4V合金在β→α相变过程中晶界α相(αGB)的形核及晶界润湿生长过程。通过耦合Thermo-Calc热力学数据与相场模型模拟出的组织与实际形貌一致。结果表明,特殊构造的噪声项使β/β晶界处失稳,并促进α相在晶界... 详细信息

使用相场模型研究了Ti-6Al-4V合金在β→α相变过程中晶界α相(αGB)的形核及晶界润湿生长过程。通过耦合Thermo-Calc热力学数据与相场模型模拟出的组织与实际形貌一致。结果表明,特殊构造的噪声项使β/β晶界处失稳,并促进α相在晶界上的形核。相变初期析出的α相颗粒较多的情况下生成的αGB形貌为连续的平滑状;反之,较少的α初始核会导致不连续αGB的生成,模拟结果揭示了实验中不同形貌αGB的形成机制。晶界润湿由不完全润湿到完全润湿可以是一个连续过程而不需其它反应即可实现。随噪声时间从50 s延长到80 s,αGB晶界润湿速率越来越快,且α相的体积分数逐渐增大;随噪声强度由0.05增大到0.11,反应速率也逐渐加快,而α相体积分数可能先增大后减小。噪声时间与强度对αGB形貌影响的规律与实验观察到的不同条件下的αGB形貌一致,可为晶界α相及合金的疲劳性能的控制提供信息。

关键词： Ti-6Al-4V 相场噪声项 αGB 晶界润湿相变