位錯對Fe-Cr合金失穩分解影響的相場法研究

《位錯對Fe-Cr合金失穩分解影響的相場法研究》是依託南京理工大學，由李永勝擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：位錯對Fe-Cr合金失穩分解影響的相場法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李永勝
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

高Cr鐵素體－奧氏體雙相不鏽鋼是用於核電站的關鍵結構材料，在輻照和高溫條件下產生富Cr的沉澱相和位錯等缺陷，從而導致材料的斷裂韌性下降。以Fe-Cr合金作為模型材料，研究位錯對沉澱相形成和分布的影響機理，是探明富Cr沉澱相導致合金硬化原因的重要前提。利用Cahn-Hilliard型相場（Phase-field）方程、Khachaturyan的微觀彈性力學理論和位錯的Stroh解法，研究位錯應力場對Fe-Cr合金富Cr相形核機制、沉澱速度、沉澱相顆粒尺寸和分布規律的影響，小角度晶界對相分解速度和微結構形成的影響，外應力與位錯共同作用下失穩分解微觀組織的形成和分布規律。用合金失穩分解的實驗分析確定模擬的可靠性，對合金在位錯下的相分解進行系統的模擬。為最佳化合金成分、改善組織性能提供理論方法，為材料的使用與選擇提供參考依據。

結題摘要

高Cr 鐵素體－奧氏體雙相不鏽鋼是用於核電站的關鍵結構材料，在輻照和高溫條件下產生富Cr 的沉澱相和位錯等缺陷，引起硬度提高，導致材料的斷裂韌性下降，對合金在高溫輻照條件下的安全使用帶來重大隱患。對FeCr合金相分解進行研究，為探明富Cr 沉澱相導致合金硬化的提供理論基礎，對該類材料的設計和服役行為有重要參考意義。本項目研究了Fe-Cr 合金相分解過程中位錯對沉澱相形成和分布的影響規律。利用Cahn-Hilliard 型相場（Phase-field）方程、Khachaturyan 的微觀彈性力學理論和位錯的Stroh 解法，獲得了位錯應力場對Fe-Cr 合金富Cr 相形核、沉澱速度、顆粒尺寸和分布的影響規律，刃型位錯形成的小角度晶界對相分解速度和微結構的影響，外應力與位錯共同作用下失穩分解微觀組織的形成和分布。並採用FeCr合金時效處理的實驗分析確定了模擬結果的可靠性。主要研究結果如下： （1）建立了FeCr合金包含位錯的失穩分解相場動力學模型，並將外加應變和磁性作用能引入相場自由能，採用變係數方程，考慮擴散作用，編制完成程式代碼，通過計算模擬獲得了FeCr合金相分解過程二維微觀組織演變圖像、一維成分變化、體積分數等。 （2）闡明了彈性模量各向異性和剪下模量變化對微觀組織取向分布的影響，得到了外加應變作用下FeCr合金失穩分解微觀組織演化規律。隨溫度升高，外加應變使富Cr相微觀組織取向更加明顯。相同溫度下，隨合金濃度增加，球狀富Cr相轉變為條狀，並互相連線，將富Fe相分離開。由於FeCr合金較小的晶格錯配，外加應變沒有改變相分解速度。 （3）發現位錯應力場加速了Cr原子在拉應力區的富集，富Cr相優先在小角度晶界形成，因此，位錯使FeCr合金失穩分解速度加快，析出相沿小角度晶界方向排列，而小角度晶界兩側形成富Fe相區。 （4）研究表明，磁性作用能對FeCr合金相分解速度、微觀組織的影響與位錯和外加應變相比並不明顯。晶格彈性應變和磁性能下富Cr相的粗化符合R~t3關係。研究結果為失穩分解型合金在位錯、外加應變下材料的微觀組織演變、相分解提供了理論基礎，可作為材料選擇和使用性能變化的參考依據。