Best Paper Award
Core-shell structure nanoprecipitates in Fe-xCu-3.0Mn-1.5Ni-1.5Al alloys: A phase field study
Fe-xCu-3.0Mn-1.5Ni-1.5Al合金核壳结构纳米沉淀物的相场研究
中北大学
赵宇宏 教授团队
研究背景
近年来，Fe-Cu基低碳钢因其高比强度、适当的延展性和良好的耐辐射性从而能够应用于结构材料和反应器压力容器钢的设计，因此受到广泛关注。这种材料的机械性质和使用寿命与内部组织密切相关，而其组织形态在很大程度上会受到由内部或外部应变形成的应变场的影响。目前，相场法是研究组织演变和相变的重要工具。然而，此前研究主要集中于双相、三相和极少数的四相合金体系中。关于弹性应变场下具有核-壳析出物的五元合金方面的相关研究尚未报道。
研究方法及亮点
本研究引入内部和外加应变储存的弹性能，建立了五元合金体系时效析出的连续相场模型，研究了溶质不均匀性和应变协同诱发的析出相核壳结构形成和演化，包含早期随机形核机制、形核-长大-粗化融合交叉的生长过程，揭示了核壳结构形成机理，该模型可以拓展应用至更多合金体系。
实验结果解析
图2展示了Fe-x%Cu-3.0%Mn-1.5%Ni-1.5%Al（x=2.5、5.0和7.5）合金在无弹性应变能的混溶间隙区域富铜沉淀物的时间形态演变。
图6展示了Fe-x%Cu-3%Mn-1.5%Ni-1.5%Al合金中具有或不具有本征应变的富Cu沉淀物的体积分数，（a）x=2.5%，（b）x=5.0%，（c）x=7.5%，以及（d）三种合金中Cu的粒子数密度和平均粒子半径。
图10a展示了相分离早期浓度波的分布，(a-d) 无弹性能量，(e-h)存在弹性能量，(i, j, k) 在t*=1000时，在不同Cu浓度下最终析出物形态：(i) 12.5%，(j)15.0%， (k)17.5%。图10b 处于不稳定区域的Fe-x%Cu–3%Mn-1.5%Ni-1.5%Al（x = 12.5, 15.0 和 17.5）的富Cu析出物的平均粒径、体积分数和颗粒数密度。图10c 在三种合金分解过程中，随时效时间变化的总能量、界面能量和弹性能量的变化。
实验总结与结论
研究人员通过计算和分析得出如下结论：内部弹性应变能量抑制了Fe-Cu-Mn-Ni-Al合金中核-壳颗粒的析出；并且在粗化过程中，施加的弹性应变场控制了析出物的形态，促进了相邻核-壳颗粒的结合和融合。
本研究建立了引入弹性的五元合金的连续相场模型，并使用该亚正规溶液模型对Fe-Cu-Mn-Ni-Al合金中Cu/NiAlMn核-壳析出物的形态演变和析出动力学进行了研究。研究人员深入分析并揭示了弹性应变场对Fe-Cu-Mn-Ni-Al合金中相干析出物的析出过程以及形态演变的作用。这些发现对于合理预测、设计并控制多组分钢的微观组织和性能提供了重要的指导。
引用此文章
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2022.04.001
作者简介
赵宇宏教授，
北京科技大学/中北大学教授。讲授《材料热力学》、《凝固原理》、《金属学及热处理》和《计算材料学》课程，从事固液/固固相变成型及多尺度计算建模表征研究。教育部山西省共建铝镁材料研发应用协同创新中心主任，中国材料学会凝固分会常务理事，山西省金属学会和铸造学会副理事长，中国机械工程学会挤压铸造专业委员会常务理事，相场法集成计算材料工程（PFM-ICME）论坛创建者。入选国家高层次人才计划、全国优秀教师、国家百千万人才、中国妇女十三大代表，享受国务院政府特殊津贴。致力于相场理论建模、高性能轻合金、液态/半固态挤压铸造、液态成型宏微观数智化软件EasyCast和集成相场软件EasyPhase开发应用；提出应用于材料设计和成型全流程的统一相场理论观点。在Sci Adv，Prog Mater Sci，npj Comput Mater，Acta Mater，IJP等期刊发表300余篇，获省部级及行业科技一等奖6项。
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2023年最新影响因子4.8，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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