金属材料合金相的早期析出行为的实验与理论研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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金属材料合金相的早期析出行为的实验与理论研究

项目名称：金属材料合金相的早期析出行为的实验与理论研究
项目类别：重点项目
批准号：50931003
申请代码：E0107
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2010-01-01-2013-12-31

项目负责人：赵世金
负责人职称：教授
依托单位：上海大学
批准年度：2009

中文摘要：

金属合金中析出纳米相是强化的一种有效手段，研究这种相析出时的早期规律，是发展新合金和发挥已有合金潜在性能的科学基础。本研究选择核反应堆压力容器低合金钢中富铜团簇的析出，微合金钢中间隙相合金碳氮化物的析出，18/8铬镍超级304H奥氏体钢中富铜相的析出，Ni-Cr-Mo合金中金属间化合物强化相的析出为研究对象，用原子探针层析技术、先进电子显微技术和分子动力学与量子力学第一性原理计算方法对析出相析出初期的行为进行研究，阐明析出相的成分和晶体结构演化，析出时合金元素（杂质）之间的交互作用及其在界面处的偏聚，析出相与母体间的晶体学关系。利用量子力学第一性原理计算方法严格求解析出相和母相界面体系的原子与电子结构，确定不同元素的偏聚能，从能量角度分析合金元素偏聚的驱动力，预测其它合金元素在界面处的行为。研究成果可以为已有合金的成分、加工工艺和热处理的优化，以及新合金的设计开发提供科学技术依据和支撑。

中文主题词：金属合金；析出相；原子探针层析技术；先进电子显微术；分子动力学与第一性原理

英文摘要：

Alloys；Precipitates；Atom Probe Tomography；Advance TEM；MD and First Principles

英文主题词： Alloys；Precipitates；Atom Probe Tomography；Advance TEM；MD and First Principles

结论摘要：

金属合金中析出纳米相是强化的一种有效手段，研究这种相析出时的早期规律，是发展新合金和发挥已有合金潜在性能的科学基础。本研究应用“原子探针层析技术”(APT),“先进电子显微技术” 和“分子动力学与量子力学第一性原理计算方法” 对核反应堆压力容器低合金钢(RPV)中富铜团簇，超级304H奥氏体钢中富铜相，微合金钢中MX相， Ni-Cr-Mo合金中金属间化合物强化相的早期析出行为进行了研究，从化学成分、晶体结构和能量驱动等多方面来认识析出相的早期析出机制。 (1)应用APT与透射电镜对RPV模拟钢富Cu团簇早期析出阶段的成分、数量和大小进行了深入研究，揭示了Ni元素会促进富Cu原子团簇的析出，而且Ni和Mn倾向偏聚在富Cu团簇周围。富Cu团簇的成核过程中，Cu原子沿着α-Fe基体的{110}晶面以2层或3层为周期发生偏聚，导致晶格发生畸变，进而切变形成了多孪晶单斜9R结构，当9R结构（001）晶面间存在层错时，还产生2H结构。(2)在时效处理的γ-铁基合金（Super304H耐热不锈钢）中，富Cu原子偏聚区由富Cu相过渡到稳定的Cu析出相，而富Cu相中的Fe，Cr，Ni等原子不断被排挤并扩散到基体中，且富Cu相与FCC基体共格。(3)以热力学和动力学分析为基础，同时结合第一性原理计算，对富铜团簇的早期析出与能量驱动进行了系统的理论分析与模拟计算，提出了富Cu团簇早期析出过程的基本模型，该模型得到了分子动力学模拟“实验”及上述基于APT与透射电镜得到的富Cu团簇早期析出实验的佐证。(4) V-Nb-Mo微合金钢在回火过程中，弥散析出细小的MX型碳化物。碳化物尺寸小于临界转换尺寸rc时，共格应变强化主导切过机制，计算得到微合金钢中第二相的临界转换半径与本项目中APT实验结果吻合。(5)通过特殊热处理制度，Ni-Cr-Mo合金中析出纳米级的Ni2（Cr，Mo）强化相。TEM研究表明，Ni2（Cr，Mo）相尺寸只有几十纳米，且纳米尺度的Ni2（Cr，Mo）超点阵结构在Ni-Cr-Mo高温合金中起到了增强增韧的作用。本项目选用了几种具有重要工业应用背景的合金作为研究材料，从本质上弄清楚合金中纳米尺度第二相的析出与聚集长大对合金多种性能所产生的巨大影响，这将为发展与国民经济（如核电，航空发动机等）密切相关的新合金提供极为重要的理论指导与技术支撑。

成果综合统计