奧氏體→鐵素體相變新相形貌與生長動力學(xué)相場法研究.pdf

1、在新一代高性能鋼鐵材料的研發(fā)中，通過在熱處理加工過程里發(fā)生固態(tài)相變時進(jìn)行組織調(diào)控，是提高鋼材綜合性能的有效方法之一。奧氏體→鐵素體相變是鋼鐵材料冷卻過程中最重要的組織轉(zhuǎn)變之一，鐵素體晶粒尺寸和形態(tài)對鋼材的力學(xué)性能有重要的影響，基于其理論意義和工業(yè)應(yīng)用價值，該相變一直是材料研究領(lǐng)域中的重點和熱點。當(dāng)鐵素體從過冷奧氏體中析出時，它可能會具有不同的形態(tài)，包括無定形仿晶界鐵素體、塊狀鐵素體、晶內(nèi)等軸鐵素體和針狀魏氏鐵素體等，材料的組織形態(tài)進(jìn)一步

2、地決定了鋼材的各種性能。因此，系統(tǒng)研究奧氏體→鐵素體相變的熱力學(xué)和動力學(xué)，深入理解不同鐵素體組織的生長行為，這對于分析鋼材加工工藝與組織形態(tài)間的定量關(guān)系、設(shè)計合金成分以獲得所需的綜合性能，都有十分重要的意義。
　　本文，通過建立描述奧氏體→鐵素體相變的相場模型，并且考慮因生成環(huán)境各異相變主控因素的不同，系統(tǒng)地研究了不同類型鐵素體新相的形貌特征和生長動力學(xué)行為，其中包括由動力學(xué)系數(shù)的各向異性主控的沿晶界生長鐵素體、由界面能的各向異性

3、主控的晶內(nèi)形核生長鐵素體及由彈性能的各向異性主控的從晶界向晶內(nèi)生長魏氏鐵素體。具體地：
　　（1）模擬研究了在化學(xué)自由能和各向同性界面能的共同作用下，于晶界處發(fā)生奧氏體→鐵素體相變時新相的生長動力學(xué)行為和形貌特征。在長程擴(kuò)散型相變中，揭示了界面處成分滿足局域平衡條件，新相生長動力學(xué)符合拋物型規(guī)律。若初始兩個新相核胚同時生長，會發(fā)生相互作用，伴隨著碰撞加速和碰撞富集等現(xiàn)象。在塊狀相變中，模擬再現(xiàn)了碳原子僅發(fā)生短程擴(kuò)散行為及界面快速遷

4、移等轉(zhuǎn)變特征。此外，通過引入動力學(xué)系數(shù)的各向異性特征，計算獲得的新相形如扁橢圓狀，與實驗結(jié)果相近，澄清了短路擴(kuò)散行為是決定晶界鐵素體形貌的關(guān)鍵因素。
　　（2）模擬研究了在化學(xué)自由能和各向異性界面能的共同作用下，于晶內(nèi)發(fā)生奧氏體→鐵素體相變時新相形貌演變的動力學(xué)行為。而且，通過開展耦合各向異性界面能和各向同性相變驅(qū)動力ΔFmc的Allen-Cahn模型的計算分析，系統(tǒng)地討論了各向異性收縮作用與各向同性長大作用之間的競爭行為及其對新

5、相形貌的影響，并解釋了晶內(nèi)鐵素體穩(wěn)態(tài)形貌與Wulff之間的相似性。當(dāng)ΔFmc的數(shù)量級不斷增大，穩(wěn)態(tài)形貌與Wulff之間存在著三種典型的相似關(guān)系：與Wulff相似地收縮、與Wulff相似地長大及與Wulff不相似地長大。即當(dāng)ΔFmc→0時，穩(wěn)態(tài)形貌與 Wulff相似，可由與相場模型等價的界面模型推導(dǎo)證明；而隨著ΔFmc不斷增大，穩(wěn)態(tài)形貌逐漸偏離Wulff，且不再相似時對應(yīng)的“臨界”ΔFmc值是與發(fā)生Fisher現(xiàn)象的臨界值ΔFFisher

6、相符的。正是由于Fe-C合金的實際相變驅(qū)動力遠(yuǎn)小于由相似向不相似轉(zhuǎn)變對應(yīng)的理論臨界值，故模擬獲得的晶內(nèi)鐵素體穩(wěn)態(tài)形貌與Wulff相似，是界面能量最低的構(gòu)型。
　?。?）模擬研究了在化學(xué)自由能、各向同性界面能和各向異性彈性應(yīng)變能的共同作用下，發(fā)生奧氏體→魏氏鐵素體相變時新相的形貌特征和生長動力學(xué)行為。計算結(jié)果揭示了彈性能對新相的核胚形狀、生長形貌及不同方向上的長大動力學(xué)行為都有重要影響。當(dāng)體積一定時，橢圓形核胚的形核激活能最低，最易