位错对Fe-Cr合金失稳分解影响的相场法研究

高Cr铁素体－奥氏体双相不锈钢是用于核电站的关键结构材料，在辐照和高温条件下产生富Cr的沉淀相和位错等缺陷，从而导致材料的断裂韧性下降。以Fe-Cr合金作为模型材料，研究位错对沉淀相形成和分布的影响机理，是探明富Cr沉淀相导致合金硬化原因的重要前提。利用Cahn-Hilliard型相场（Phase-field）方程、Khachaturyan的微观弹性力学理论和位错的Stroh解法，研究位错应力场对Fe-Cr合金富Cr相形核机制、沉淀速度、沉淀相颗粒尺寸和分布规律的影响，小角度晶界对相分解速度和微结构形成的影响，外应力与位错共同作用下失稳分解微观组织的形成和分布规律。用合金失稳分解的实验分析确定模拟的可靠性，对合金在位错下的相分解进行系统的模拟。为优化合金成分、改善组织性能提供理论方法，为材料的使用与选择提供参考依据。

高Cr 铁素体－奥氏体双相不锈钢是用于核电站的关键结构材料，在辐照和高温条件下产生富Cr 的沉淀相和位错等缺陷，引起硬度提高，导致材料的断裂韧性下降，对合金在高温辐照条件下的安全使用带来重大隐患。对FeCr合金相分解进行研究，为探明富Cr 沉淀相导致合金硬化的提供理论基础，对该类材料的设计和服役行为有重要参考意义。. 本项目研究了Fe-Cr 合金相分解过程中位错对沉淀相形成和分布的影响规律。利用Cahn-Hilliard 型相场（Phase-field）方程、Khachaturyan 的微观弹性力学理论和位错的Stroh 解法，获得了位错应力场对Fe-Cr 合金富Cr 相形核、沉淀速度、颗粒尺寸和分布的影响规律，刃型位错形成的小角度晶界对相分解速度和微结构的影响，外应力与位错共同作用下失稳分解微观组织的形成和分布。并采用FeCr合金时效处理的实验分析确定了模拟结果的可靠性。主要研究结果如下：. （1）建立了FeCr合金包含位错的失稳分解相场动力学模型，并将外加应变和磁性作用能引入相场自由能，采用变系数方程，考虑扩散作用，编制完成程序代码，通过计算模拟获得了FeCr合金相分解过程二维微观组织演变图像、一维成分变化、体积分数等。. （2）阐明了弹性模量各向异性和剪切模量变化对微观组织取向分布的影响，得到了外加应变作用下FeCr合金失稳分解微观组织演化规律。随温度升高，外加应变使富Cr相微观组织取向更加明显。相同温度下，随合金浓度增加，球状富Cr相转变为条状，并互相连接，将富Fe相分离开。由于FeCr合金较小的晶格错配，外加应变没有改变相分解速度。. （3）发现位错应力场加速了Cr原子在拉应力区的富集，富Cr相优先在小角度晶界形成，因此，位错使FeCr合金失稳分解速度加快，析出相沿小角度晶界方向排列，而小角度晶界两侧形成富Fe相区。. （4）研究表明，磁性作用能对FeCr合金相分解速度、微观组织的影响与位错和外加应变相比并不明显。晶格弹性应变和磁性能下富Cr相的粗化符合R~t3关系。. 研究结果为失稳分解型合金在位错、外加应变下材料的微观组织演变、相分解提供了理论基础，可作为材料选择和使用性能变化的参考依据。