镍基合金沉淀过程及原子间相互作用势的微观相场理论研究

发布时间：2017-05-21 10:24

本文关键词：镍基合金沉淀过程及原子间相互作用势的微观相场理论研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：合金的微观组织很大程度上由其沉淀行为和机制决定,包括:合金结构和显微组织形貌,相沉淀机制,合金形核长大粗化全过程,合金原子簇聚和沉淀过程,原子择优占位和反位缺陷,界面结构和迁移性,相析出序列以及预析出相等。与实验方法相比,采用原子层面的计算机模拟研究具有必要性和无可比拟的优越性。原子间相互作用势是所有原子水平凝聚态物质计算的基础,发展温度、浓度、结构相关的原子间作用势计算模型、方法,对材料的计算机模拟具有重要的理论意义和应用价值。本文是基于微观相场理论模型进行的部分研究,以三元合金Ni_(75)Al_x Mo_(25-x)为研究对象,依次研究了Ni_(75)Al_(14)Mo_(11)合金的相沉淀过程,四近邻原子间相互作用势对合金沉淀过程的影响,并在此基础上利用微观相场理论反演出了L1_2相和DO_(22)相随温度和溶质原子浓度变化的异类原子间的第一近邻原子间相互作用势。通过模拟计算1073K时效温度下Ni_(75)Al_(14)Mo_(11)合金的相沉淀过程及沉淀相中的原子占位规律,得出:L_(10)过渡相在原子演化图中呈现出两种取向,和二维平面投影图中的Ⅰ-型和Ⅱ-型两种结构相对应;相沉淀过程包括:溶质原子簇聚、早期L_(10)过渡相和L1_2结构的析出、有序化、有序相生成、有序相长大和粗化,几个过程连续进行。整个过程中,没有出现DO_(22)结构的Ni_3Mo相。L10过渡相向L_(12）结构有序相的转变体现为个点颜色和原子占位几率的变化过程:α1格点位置(面心位置)逐步被Ni原子所占据;α2格点位置(面心位置)在很短的一个阶段被Al原子和Mo原子占据,然后Ni原子逐步占据该位置;β格点位置(顶角位置)主要由Al原子和Mo原子共同占据,且在相沉淀的整个过程中Al原子在β格点的占位几率始终高于Mo原子;Mo原子在Ni_3Al中优先占据Al位,最终平衡相为L1_2结构Ni_3(AlMo)复合相。Ni-Al四近邻原子间相互作用势改变时,第一、三近邻N i-Al原子间相互作用势增大将促进Al和Mo原子的有序化和簇聚;第二、四近邻Ni-Al原子间相互作用势增大抑制Al和Mo原子的有序化和簇聚。Ni-Mo四近邻原子间相互作用势改变时,第一、三近邻Ni-Mo原子间相互作用势增大将促进Mo原子的有序化,对Al原子的有序化值几乎没有影响,而同时抑制Al和Mo原子簇聚;第二、四近邻Ni-Mo原子间相互作用势增大时,抑制Al和Mo原子的有序化而促进两种原子的簇聚。对比发现Ni-Al和Ni-Mo四近邻原子间相互作用势改变时,两者第一、三近邻原子间相互作用势增大将缩短有序相的形核孕育期,而第二、四近邻原子间相互作用势增大时延长有序相的形核孕育期。基于微观相场动力学模型,根据Khachaturyan所给占位几率和能量之间关系的方程推导出了L12和DO22结构温度、浓度和结构相关的微观相场反演原子间作用势方程,为:根据推导出的反演方程,计算了Ni_(75)Al_x Mo_(25-x)合金体系中L1_2结构Ni_3Al和DO_(22)结构Ni3Mo的原子间相互作用势,发现Ni-Al和Ni-Mo的最近邻原子间作用势与温度、浓度均呈近似线性变化关系。把计算所得的原子间相互作用势作为输入参数代入模拟程序,将模拟结果与使用经验值模拟所得的结果作对比,吻合较好。通过第一性原理计算发现生成L1_2结构Ni_3Al比生成DO_(22)结构Ni_3Mo要容易,且Ni3Al的稳定性比Ni_3Mo的高,DO_(22)结构Ni_3Mo相属于亚稳相,故在相沉淀的平衡阶段没有出现。
【关键词】：Ni_(75)Al_(14)Mo_(11)合金 微观相场模型 沉淀过程 原子占位 原子间相互作用势
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG146.15
【目录】：

摘要4-6
abstract6-10
1 绪论10-24
1.1 引言10
1.2 合金相沉淀过程的研究背景和意义10-11
1.3 合金相沉淀过程的研究方法11-13
1.3.1 蒙特卡罗方法11-12
1.3.2 分子动力学方法12
1.3.3 元胞自动机方法12-13
1.3.4 相场法13
1.4 镍基合金相沉淀的研究进展13-15
1.5 原子间相互作用势的概念及研究意义15-16
1.6 常用的原子间作用势计算模型举例16-21
1.6.1 对势模型16-18
1.6.2 陈氏三维晶格反演模型18-19
1.6.3 多体势模型19-21
1.7 关于原子间相互作用势的研究进展21-22
1.8 本文研究内容和论文构架22-24
2 微观相场动力学模型24-35
2.1 该模型采用的几个近似处理24-25
2.2 微观相场动力学方程的建立25-26
2.2.1 微观扩散方程25
2.2.2 微观Langevin方程25-26
2.3 三元体系微观相场动力学模型26-33
2.3.1 三元体系微扩散方程26-27
2.3.2 傅立叶空间中的微观Langevin方程27-28
2.3.3 平均场自由能模型28-29
2.3.4 方程的展开29-30
2.3.5 应用于FCC结构30
2.3.6 三维FCC晶格的二维投影30-31
2.3.7 随机噪声项31-32
2.3.8 投影后的动力学方程32-33
2.4 本文研究对象33-34
2.5 计算环境34-35
3 原子间相互作用势对Ni-Al-Mo合金沉淀过程的影响35-69
3.1 1073K下Ni_(75)Al_(14)Mo_(11)合金的相沉淀过程35-46
3.1.1 沉淀过程中出现的有序结构35-38
3.1.2 1073K下Ni-Al-Mo合金的沉淀过程及相转变38-46
3.2 长程序参数方程的推导46-48
3.3 原子间相互作用势对Ni-Al-Mo合金沉淀过程的影响48-67
3.3.1 Ni-Al四近邻原子间相互作用势的影响规律48-57
3.3.2 Ni-Mo四近邻原子间相互作用势的影响规律57-65
3.3.3 原子间相互作用势对有序相体积分数的影响65-67
3.4 本章小结67-69
4 微观相场法反演L1_2和DO_(22)结构的原子间相互作用势69-87
4.1 反演方程的推导69-73
4.1.1 L1_2结构微观相场反演原子间相互作用势方程69-71
4.1.2 DO_(22)结构微观相场反演原子间相互作用势方程71-73
4.2 L1_2和DO_(22)结构第一近邻原子间作用势的反演计算73-79
4.3 计算结果与经验值的对比79-85
4.4 模拟中未生成DO_(22)结构Ni_3Mo的原因分析85-86
4.5 本章小结86-87
结论87-89
参考文献89-96
攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果96-97
致谢97-98

【参考文献】

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