相場(chǎng)法對(duì)AZ31鎂合金納米晶粒生長(zhǎng)、異常長(zhǎng)大的模擬研究.pdf

1、納米晶材料具有非常奇特的物理和機(jī)械性能，納米材料的開(kāi)發(fā)和研究一直十分活躍，因此，了解納米晶生長(zhǎng)的機(jī)制，從而提高納米晶材料制備的效率，控制納米材料的顯微組織，是非常有價(jià)值的熱點(diǎn)研究。而隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，材料中顯微組織、演變機(jī)理和性能的模擬研究已經(jīng)成為現(xiàn)代材料科學(xué)的重要組成部分。另一方面，鎂合金作為21世紀(jì)綠色環(huán)保工程材料之一，日益廣泛用于工業(yè)界各個(gè)方面，但其時(shí)效強(qiáng)化效果不佳，因而晶粒的納米化也許是鎂合金打破應(yīng)用瓶頸的潛力方案。另外，對(duì)于實(shí)

2、際合金納米多晶等溫生長(zhǎng)的模擬還未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)，因此本文將運(yùn)用相場(chǎng)法，模擬研究AZ31鎂合金納米晶不同退火溫度下的生長(zhǎng)演變。
　　已有研究建立了真實(shí)時(shí)空的微米尺度的多晶長(zhǎng)大相場(chǎng)模型，本研究擴(kuò)展了該模型到納米尺度。模型改進(jìn)了之前使用的局域自由能密度表達(dá)式，以模擬真實(shí)時(shí)空多晶AZ31鎂合金從納米到微米尺度晶粒生長(zhǎng)的全過(guò)程。針對(duì)初始狀態(tài)的變化，重新研究了模擬參數(shù)的物理取值，通過(guò)模擬計(jì)算得知，納米晶的晶界作用域取值必須在保持物理意義的前提下取最大

3、值，因此必須覆蓋相鄰的兩個(gè)納米晶粒，大約是從40nm到400nm，而微米晶界作用域取一個(gè)較大的1.2μm左右的值。系統(tǒng)地考察了各個(gè)模擬參數(shù)的取值與顯微組織演變的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了從納米到微米晶粒的生長(zhǎng)全過(guò)程的模擬。
　　本研究模擬了不同溫度下不同尺度AZ31鎂合金晶粒長(zhǎng)大的演變過(guò)程，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。模擬結(jié)果表明納米晶界面能較微米晶界面能值小，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)納米晶粒生長(zhǎng)速度遠(yuǎn)低于微米晶，模擬結(jié)果得到了有限的文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證。晶粒生

4、長(zhǎng)指數(shù)從納米結(jié)構(gòu)到微米結(jié)構(gòu)由5逐漸降為2，該模擬結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。論文針對(duì)納米晶生長(zhǎng)的特點(diǎn)，通過(guò)其界面能動(dòng)性和界面能低的物理性質(zhì)進(jìn)行了機(jī)理討論。
　　本研究還考察了納米晶結(jié)構(gòu)和微米晶結(jié)構(gòu)中晶界處成分偏析的情況。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米晶結(jié)構(gòu)中溶質(zhì)原子在晶界處的偏析比微米晶更嚴(yán)重，而溫度對(duì)不同尺度晶粒的晶界偏析影響相同，這可能是導(dǎo)致納米晶具有較低的界面能動(dòng)性的原因。本研究繼續(xù)模擬了納米結(jié)構(gòu)和微米結(jié)構(gòu)AZ31鎂合金中Al原子擴(kuò)散微觀因素

5、對(duì)晶界偏析和晶粒長(zhǎng)大的影響。得到了如下結(jié)論:Al成分的分布在彎曲界面附近比平直界面附近更加不均勻;擴(kuò)散遷移率的取值越大，晶界偏析程度越高;當(dāng)擴(kuò)散遷移率的值取到足夠大時(shí)，繼續(xù)變化擴(kuò)散遷移率，其對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程中晶粒平均尺寸的影響很小。
　　另外，本文模擬研究了納米晶與微米晶等溫晶粒長(zhǎng)大后的混晶度。研究表明，隨退火時(shí)間的延長(zhǎng)，納米晶的混晶度增幅比微米尺度更明顯。因此，本研究建議通過(guò)控制退火時(shí)晶粒長(zhǎng)大過(guò)程，在納米結(jié)構(gòu)中引入少數(shù)異常長(zhǎng)大的晶粒以

6、提高塑韌性，同時(shí)又不降低強(qiáng)度，這也許會(huì)成為改善納米材料性能的一種新方法。因此，本文模擬研究了納米結(jié)構(gòu)AZ31鎂合金中晶粒異常生長(zhǎng)的規(guī)律，模擬發(fā)現(xiàn)，通過(guò)控制局域儲(chǔ)存能，或界面能，或界面能動(dòng)性三個(gè)微觀因素，可以實(shí)現(xiàn)在納米基體中出現(xiàn)局部的晶粒異常生長(zhǎng)，以構(gòu)造期望的晶粒混合的理想顯微組織。但模擬表明局部這三個(gè)因素的差異必須分別大于臨界值才能發(fā)生晶粒異常長(zhǎng)大:局域應(yīng)變儲(chǔ)能必須高于基體平均儲(chǔ)能的1.60倍，局域界面能需低于平均值的0.76，而局域界

7、面能動(dòng)性要大于平均值的3倍。模擬還發(fā)現(xiàn)，局域擴(kuò)散遷移率的改變及初始混晶不能導(dǎo)致局域晶粒的異常長(zhǎng)大。
　　最后，本文模擬了含不同尺寸、數(shù)量、球形第二相顆粒的納米結(jié)構(gòu)AZ31鎂合金中晶粒的長(zhǎng)大過(guò)程，研究了第二相粒子對(duì)單相合金系統(tǒng)晶粒組織演化和生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的影響。模擬結(jié)果表明:納米晶組織中第二相粒子對(duì)晶粒長(zhǎng)大的釘扎作用，與對(duì)微米晶組織下的作用有很大區(qū)別:納米結(jié)構(gòu)中第二相粒子對(duì)晶粒長(zhǎng)大影響存在一個(gè)粒子尺寸的臨界值，在臨界值以下，顆粒的尺寸越