扩散偶界面周期性层片组织的相场法研究
发布时间：2020-05-16 19:26
【摘要】：材料的界面在材料设计和性能控制中具有重要的作用,界面微观组织决定着材料的局部或整体性能。目前,扩散偶实验仍然是研究两种合金界面成分和结构的一种非常有效的手段。近年来,扩散偶界面附近形成的周期性层片组织在金属、半导体和陶瓷等材料中被广泛报道,鉴于这种界面组织对材料的性能有很大的影响,因此开展扩散偶界面周期性层片组织的演化规律研究对优化材料的界面组织和性能具有重要意义。本论文以合金扩散偶为研究对象,采用相场方法分别对二元和三元调幅分解型合金,以及三元多相合金扩散偶的界面周期性层片组织演化进行了模拟,研究了初始成分、弹性各向异性、原子迁移率、界面初始浓度差等因素对扩散偶界面周期性层片组织的影响。主要结论如下:(1)采用相场方法,模拟了温度引起的初始浓度起伏和不同弹性各向异性条件下,二元调幅分解型合金扩散偶界面微观组织的演化情况,考察了初始浓度起伏、弹性各向异性等因素对扩散偶界面周期性层片组织的影响。结果表明:温度所引起的初始浓度起伏对二元调幅分解型合金扩散偶界面周期性层片组织具有重要影响,低温下相对较小的浓度起伏会导致界面演化出多个周期的层片组织;合金的弹性各向异性较大时,界面附近的周期性层片组织的层数和远离界面的内部组织的分布会受到弹性应变场的影响;当弹性各向异性导致的优势生长方向与扩散偶界面平行时,有利于界面形成更多的周期性层片组织。此外,当两种分解相的体积分数差异较大时,不利于周期性层片组织的形成。(2)采用相场方法,通过对三元调幅分解型合金扩散偶界面周期性层片组织演化的模拟,研究了温度引起的初始浓度起伏、界面初始浓度差和组元原子迁移率的大小对扩散偶界面周期性层片组织的影响。研究结果表明:三元调幅分解型合金扩散偶界面的周期性层片组织的片层数量随着初始浓度起伏值的减小而增加;界面初始浓度差和组元原子迁移率的大小对扩散偶界面周期性层片组织的层数影响较小,但对层片组织的形成时间和粗化过程影响较大;原子迁移率越大,周期性层片组织的形成和消失越快。(3)采用多相场模型对三元多相合金扩散偶界面周期性层片组织的演化过程进行了模拟。分析了三元多相合金体系二元化合物相和三元中间化合物相在界面处的析出顺序,研究了各化合物相形核位置对界面组织的影响。研究结果表明:原始扩散偶界面处中间化合物相的析出顺序与溶质元素在其中的扩散速率有关,扩散速率越大,新析出相的界面迁移速率也越大;溶质元素扩散速率差异导致中间化合物无论在界面相相区内形核还是在界面处形核都可以形成周期性层片组织;扩散偶界面相区内形核长大所形成周期性层片组织的机理与实验结果一致,该组织的形成是由于扩散反应以及元素扩散速率的差异造成的。
【图文】：
Ｌ邋Ｈ￣Ｈ￣￣￣｜邋一逡逑＜逦＞逡逑图１．２扩散诱导应力模型对ＳｉＣＶＭｇ扩散偶中周期性层片组织的形成机理的解释逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｐｅｒｉｏｄｉｃ邋ｌａｙｅｒｅｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｉｎ逡逑Ｓｉ0２／Ｍｇ邋ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ邋ｃｏｕｐｌｅ邋ｂｙ邋ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ－ｉｎｄｕｃｅｄ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ｍｏｄｅｌ逡逑Ｎｉ邋ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ逦ｙ邋ｐａｒｔｉｃｌｅｓ邋ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ逦ｙ邋ｂａｎｄ邋ｐｈａｓｅ逦Ｎｅｗ邋ｒ／Ｔ邋ｐａｉｉ逡逑Ｔ逦Ｔ逦Ｔ，逦Ｔ２邋Ｔｉ逡逑Ｕ逦Ｖ逦Ｗ逦Ｖ邋Ｖ逡逑［ｆ邋￣￣ｉｆ［Ｙｉ■—逡逑Ｉ逡逑Ｎｉ—？Ｊ逦Ｎｉ—＞逦＿逦ｆ＼｜ｉ—？逡逑ＮｂＳｉ邋＞逦ＮｂＳｉ逦＿逦ＮｉａＳｉ逡逑Ｚｎ逦■—Ｚｎ逦？．．．疆．．．－Ｚｎ逦－－Ｚｎ逡逑ｉ逦Ｉ逡逑Ｙ逦Ｙ逦Ｙｉ逦Ｙａ邋Ｖ邋ｌ逡逑图１．３扩散通道模型对Ｎｉ３Ｓｉ／Ｚｄｆ散偶中周期性层片组织的形成机理的解释逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｅｘｐｌａｎａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｆｏｒｍａｔｉｏｎ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｐｅｒｉｏｄｉｃ邋ｌａｙｅｒｅｄ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｉｎ逡逑Ｎ＾Ｓｉ／Ｚｎ邋ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ邋ｃｏｕｐｌｅ邋ｂｙ邋ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ邋ｃｈａｎｎｅｌ邋ｍｏｄｅｌ逡逑苏旭平教授课题组从２００７年起就做了大量的工作来研宄周期性层片组织的逡逑形成机理并完善可以形成该组织的扩散偶体系，得到Ｔ关于周期性层片组织形成逡逑机理的解释［２２＿２４］。苏旭平教授课题组主要研究的扩散偶体系有Ｎｉ３Ｓｉ／Ｚｎ
逡逑法对成分进行离散的过程示意图如图２．１所示：网格为正方形，大小相同，空间逡逑步长Ａｘ＝Ａｙ＝ｌ，时间步长为ｔ，本文采用四点中心差分格式。Ｃａｈｎ－Ｈｉｌｌｉａｒｄ控制逡逑方程中微分形式转换成差分形式后表述如下：逡逑＝ｃｍｊ邋￣ｃ＞－ｕ逦（２．２８）逡逑＂邋２Ａｘ逦ｖ邋）逡逑＾邋￣邋２Ａｙ逦（２．２９）逡逑（２．３０）逡逑（２．３１）逡逑懫用四点公式法对Ｃａｈｎ－Ｈｉｌｌｉａｒｄ模型中出现的Ｌａｐｌａｃｅ算子进行差分，则有逡逑%剑玻茫澹藉澹悖恚赍澹悖椋澹悖酰殄澹悖殄澹蓿悖椋赍危ǎ插澹常玻╁义希玻保矗脖呓缣跫娜范ㄥ义媳疚闹兴褂玫谋呓缣跫岷狭酥芷谛员呓缣跫土阃勘呓缣跫Ｕ庑┍咤义辖缣跫缦率剿荆哄义现芷谛员呓缣跫哄义希洌悖ǎ颍╁澹洌悖ǎ颍╁义希剑掊危ǎ玻常常╁义希洌澹板澹洌澹五义希洌悖ǎ颍╁澹洌悖ǎ颍╁义稀椋蝈危ǎ玻常矗╁义狭阃勘呓缣跫哄义希担悖ǎ颍╁澹咤澹洌悖ǎ颍╁澹咤澹洌悖ǎ颍╁澹咤澹洌悖ǎ颍╁澹
本文编号：2667195
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逡逑法对成分进行离散的过程示意图如图２．１所示：网格为正方形，大小相同，空间逡逑步长Ａｘ＝Ａｙ＝ｌ，时间步长为ｔ，本文采用四点中心差分格式。Ｃａｈｎ－Ｈｉｌｌｉａｒｄ控制逡逑方程中微分形式转换成差分形式后表述如下：逡逑＝ｃｍｊ邋￣ｃ＞－ｕ逦（２．２８）逡逑＂邋２Ａｘ逦ｖ邋）逡逑＾邋￣邋２Ａｙ逦（２．２９）逡逑（２．３０）逡逑（２．３１）逡逑懫用四点公式法对Ｃａｈｎ－Ｈｉｌｌｉａｒｄ模型中出现的Ｌａｐｌａｃｅ算子进行差分，则有逡逑%剑玻茫澹藉澹悖恚赍澹悖椋澹悖酰殄澹悖殄澹蓿悖椋赍危ǎ插澹常玻╁义希玻保矗脖呓缣跫娜范ㄥ义媳疚闹兴褂玫谋呓缣跫岷狭酥芷谛员呓缣跫土阃勘呓缣跫Ｕ庑┍咤义辖缣跫缦率剿荆哄义现芷谛员呓缣跫哄义希洌悖ǎ颍╁澹洌悖ǎ颍╁义希剑掊危ǎ玻常常╁义希洌澹板澹洌澹五义希洌悖ǎ颍╁澹洌悖ǎ颍╁义稀椋蝈危ǎ玻常矗╁义狭阃勘呓缣跫哄义希担悖ǎ颍╁澹咤澹洌悖ǎ颍╁澹咤澹洌悖ǎ颍╁澹咤澹洌悖ǎ颍╁澹
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