一种应力调控纳米尺度颗粒微观组织的方法技术

本发明专利技术涉及微观组织领域，具体为一种应力调控纳米尺度颗粒微观组织的方法。包括如下步骤：根据合金的热力学及动力学参数，建立相场方程，并设置初始值；绘制不同成分的合金在不同应力条件下纳米尺度颗粒微观组织的演化图，得到不同应力条件对纳米尺度颗粒微观组织的影响规律；分析不同应力条件下纳米尺度颗粒的微观组织随时效时间的演化图，得到析出相形核、长大、粗化规律；绘制纳米析出相的平均颗粒半径随时效时间的变化曲线，得到改变应力大小、方向调控纳米颗粒形态和延伸取向的方法。本发明专利技术在实现纳米尺度颗粒调控的同时，可作为处于外应力状态下的组织演变和力学性能预测的参考，并优化微观结构设计。

A Method of Stress Regulation for Microstructure of Nano-scale Particles

【技术实现步骤摘要】
一种应力调控纳米尺度颗粒微观组织的方法
本专利技术涉及金属材料微观组织控制
，具体是一种应力调控纳米尺度颗粒微观组织的方法。
技术介绍
现代核电站结构部件的重要材料铁素体-奥氏体不锈钢，因其优异的力学性能和耐腐蚀性，在300-550℃范围内服役时，铁素体相会发生分解，析出富Cr的纳米尺度颗粒α'相，使得合金强度增加，而抗腐蚀性和韧性等性能恶化，从而影响合金的使用寿命和安全性。而应力会加速相分离，因为应力时效可以提高相分离和聚集的速率，在高应力下时效样品的动力学速度明显加快；施加的应力加速了热老化机制的进行，并影响纳米析出相的微观组织演变；位错应力场也会加快纳米尺度析出相分离的速率，随着时效温度的升高，外应力下析出相的颗粒形状发生变化。CN108998648A公开了一种铁素体-孪晶马氏体低碳钢的制备方法，其中铁素体-孪晶马氏体低碳钢在210MPa或220MPa弹性应力时效40分钟时，材料的综合力学性能可以得到大幅度提高，但是其涉及到的加工手段较多，不能表明其性能的提高与应力时效有直接关系。“ResidualStressRelaxationofShot-PeenedDeformationSurfaceLayeronDuplexStainlessSteelUnderAppliedLoading”，QiangFeng，ChuanhaiJiang，ZhouXu，JournalofMaterialsEngineering&Performance，第23卷第2期，第408～412页，2014年2月，该文献采用了敲击法研究了静态和循环载荷下双相不锈钢表层残余应力的消除情况，拉伸应力的作用下压缩残余应力(CRS)是放松的，敲打层的奥氏体中最大残余应力要大于铁素体中的残余应力。“Coarseningofγ′inNi–Alalloysagedunderuniaxialcompression:I.Early-stagekinetics”，PrikhodkoSV，ArdellAJ，ActaMaterials，第5001～5012页，第51卷第17期，2003年10月，该文献研究了压缩应力对Ni–Al合金早期阶段颗粒半径及粒径分布的影响，外加压应力会减缓析出相颗粒的长大和粗化速率，且增加粒径分布的宽度。然而在实际应用当中，长时间的应力时效才会造成合金的抗腐蚀性和韧性等性能恶化，且不同应力大小以及不同应力状态对合金纳米尺度颗粒的影响也需要进行研究。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于提供一种应力调控纳米尺度颗粒微观组织的方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种应力调控纳米尺度颗粒微观组织的方法，包括如下步骤：(1)根据所研究合金的热力学及动力学参数，建立相场方程，并设置初始的变量值、合金的固有参量、模拟系统的计算参量；(2)绘制不同成分的合金分别在不同应力条件下纳米尺度颗粒微观组织的演化图，得到不同应力条件对纳米尺度颗粒微观组织的影响规律；(3)分析不同应力条件下纳米尺度颗粒的微观组织随时效时间的演化图，得到析出相形核、长大、粗化规律；得到应力与颗粒弥散分布或颗粒延伸取向的规律；(4)绘制纳米析出相的平均颗粒半径随时效时间的变化曲线，分析得到析出相的动态演化速率和应力大小、方向之间的对应关系，从而得到改变应力大小、方向调控纳米颗粒形态和延伸取向的方法。本专利技术与现有技术相比，其显著优点如下：(1)该方法通过模拟改变外应力大小、应力方向和施加方式，研究不同成分合金与应力共同作用下析出相的微观组织演变规律，纳米析出相的平均颗粒半径随时效时间的动力学指数；得出成分及应力对纳米颗粒组织调控的影响规律，建立通过相场模拟实现纳米颗粒组织调控的方法。(2)该方法根据纳米尺度析出相和基体的剪切模量比与应力应变符号，以及根据有效本征应变差异，均能更快地判断出纳米尺度颗粒为软质析出相还是硬质析出相，更快地判断出颗粒的延伸取向，从而获得不同应力大小和应力状态下的颗粒取向规律。附图说明图1是实施例1外应力80MPa调控得到的25at.％Cr合金中纳米析出相的微观组织；其中，(a)的时效时间为576h，(b)的时效时间为5990h。图2是实施例1不同外应力大小调控得到的25at.％Cr合金中纳米析出相的平均颗粒半径。图3是实施例2外应力80MPa调控得到的28at.％Cr合金中纳米析出相的微观组织；其中，(a)的时效时间为576h，(b)的时效时间为5990h。图4是实施例2不同外应力大小调控得到的28at.％Cr合金中纳米析出相的平均颗粒半径。图5是实施例3外应力80MPa调控得到的32at.％Cr合金中纳米析出相的微观组织；其中，(a)的时效时间为576h，(b)的时效时间为5990h。图6是实施例3不同外应力大小调控得到的32at.％Cr合金中纳米析出相的平均颗粒半径。图7是实施例4不同外应力状态调控得到的纳米析出相的微观组织；其中(a)的外应力为0MPa，(b)为外加拉伸应力200MPa，(c)为外加压缩应力200Mpa。图8是实施例4不同外应力状态调控得到的纳米析出相的平均颗粒半径。具体实施方式一种应力调控纳米尺度颗粒微观组织的方法，包括如下步骤：(1)根据所研究合金的热力学及动力学参数，建立相场方程，并设置初始的变量值、合金的固有参量、模拟系统的计算参量；(2)绘制不同成分的合金分别在不同应力条件下纳米尺度颗粒微观组织的演化图，得到不同应力条件对纳米尺度颗粒微观组织的影响规律；(3)分析不同应力条件下纳米尺度颗粒的微观组织随时效时间的演化图，得到析出相形核、长大、粗化规律；得到应力与颗粒弥散分布或颗粒延伸取向的规律；(4)绘制纳米析出相的平均颗粒半径随时效时间的变化曲线，分析得到析出相的动态演化速率和应力大小、方向之间的对应关系，从而得到改变应力大小、方向调控纳米颗粒形态和延伸取向的方法。所述不同应力条件包括不同应力大小和不同应力状态。所述步骤(1)中相场方程的具体建立步骤如下：(1-1)将热力学和动力学理论相结合，以金兹堡-朗道理论为基础理论建立连续体模型，得到通过扩散和界面控制的动力学方程；(1-2)在相场方程中总自由能的变化包括：体化学自由能的变化、表面能和界面能的变化、弹性应变能的变化；(1-3)在相场方程的模拟中，通过半唯象常数确定模拟中的标度，将模拟值转化成实际的数值，与实际数据进行对比；(1-4)通过调节相场方程中外应力与应变的大小和方向，来调节应力应变与弹性应变能，实现纳米颗粒组织大小及颗粒取向的调控。所述步骤(1-2)的相场方程中总自由能F方程为：其中，G为体化学自由能，κ为梯度能系数，Vm为摩尔体积，c为溶质浓度，Eel为单位体积的弹性应变能密度，计算公式为：其中，Cijkl是非均匀弹性系数模量，为外加应力产生的应变，εij为成分不均质的内应变，为本征应变；当给系统施加应力时，由胡克定律，得到应变总应变为外应力应变与成分不均质内应变εij的和，其中外应力与应变决定了微观形貌和体积分数的变化，总的弹性应变可以写成总的弹性应力是基体和析出相的平均弹性模量。纳米颗粒延伸取向的判断方法是：(1)合金中纳米颗粒析出相的延伸方向取决于本征应变的正负和外应力引起的应变的正负；(2)同时还取决于析出相与基体相的剪切本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应力调控纳米尺度颗粒微观组织的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据合金的热力学及动力学参数，建立相场方程，并设置初始的变量值、合金的固有参量、模拟系统的计算参量；(2)绘制不同成分的合金在不同应力条件下纳米尺度颗粒微观组织的演化图，得到不同应力条件对纳米尺度颗粒微观组织的影响规律；(3)分析不同应力条件下纳米尺度颗粒的微观组织随时效时间的演化图，得到析出相形核、长大、粗化规律，得到应力与颗粒弥散分布或颗粒延伸取向的规律；(4)绘制纳米析出相的平均颗粒半径随时效时间的变化曲线，分析得到析出相的动态演化速率和应力大小、方向之间的对应关系，得到改变应力大小、方向调控纳米颗粒形态和延伸取向的方法。

【技术特征摘要】
1.一种应力调控纳米尺度颗粒微观组织的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)根据合金的热力学及动力学参数，建立相场方程，并设置初始的变量值、合金的固有参量、模拟系统的计算参量；(2)绘制不同成分的合金在不同应力条件下纳米尺度颗粒微观组织的演化图，得到不同应力条件对纳米尺度颗粒微观组织的影响规律；(3)分析不同应力条件下纳米尺度颗粒的微观组织随时效时间的演化图，得到析出相形核、长大、粗化规律，得到应力与颗粒弥散分布或颗粒延伸取向的规律；(4)绘制纳米析出相的平均颗粒半径随时效时间的变化曲线，分析得到析出相的动态演化速率和应力大小、方向之间的对应关系，得到改变应力大小、方向调控纳米颗粒形态和延伸取向的方法。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不同应力条件包括不同应力大小和不同应力状态。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中相场方程的具体建立步骤如下：(1-1)将热力学和动力学理论相结合，以金兹堡-朗道理论为基础理论建立连续体模型，得到通过扩散和界面控制的动力学方程；(1-2)在相场方程中总自由能的变化包括：体化学自由能的变化、表面能和界面能的变化、弹性应变能的变化；(1-3)在相场方程的模拟中，通过半唯象常数确定模拟中的标度，将模拟值转化成实际的数值，与实际数据进行对比；(1-4)通过调节相场方程中外应力与应变的大小和方向，来调节应力应变与弹性应变能，实现纳米颗粒组织大小及颗粒取向的调控。4.根据权利要求3所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李永胜，朱礼慧，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32