连续相场法研究磁性能诱发FeCuMn合金沉淀微结构演化

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Fe-Cu-Mn合金钢广泛应用于核电站反应堆管道及压力容器材料(RPV)。在连续中子辐照下,易析出高数量密度纳米富铜团簇影响材料使用寿命。由于铁磁性元素Fe、Mn的存在,会引起体系内部产生内磁能82),),叠加于体系吉布斯自由能中,会影响纳米富Cu相形成速率、结构转变及密度;同时在承受压力的服役条件下,外加应变也会对富Cu析出相形貌及沉淀动力学有所影响。针对磁能项和应变诱发富铜相析出机制尚不明确的问题,本文采用建立于亚正规溶体近似模型的连续相场法,对Fe-Cu-Mn合金时效微结构演化动力学进行研究。以Fe-15at.%Cu-3at.%Mn合金为例,忽略内磁能作用时,富Cu相形成于时效早期;而在内磁能作用下,内部才开始出现微小成分起伏,表明内磁能作为形核阻力可阻碍富Cu相发生相分离;内磁能也可起到阻碍富Cu相长大及粗化的作用,并延缓富Cu相从BCC结构向FCC结构转变。纳米富Cu沉淀相形成后,Mn原子开始成分起伏,向富Cu相中心处偏聚。沉淀相内部Mn原子首先开始向界面处偏聚,形成具有Mn金属间环和富Cu相核的环/核沉淀形态;内磁能作用下可加速析出相核壳结构形成。适当降低Fe-Cu-Mn合金中铁磁性元素Mn含量会使内磁能升高,阻碍富Cu相发生相分离及后期粗化;提高Mn含量,内磁能降低,会促进富Cu相发生相分离、长大及粗化;Fe-Cu-Mn合金中Mn含量与富Mn金属间壳和富Cu相核的核壳结构形成呈正相关;降低Fe-Cu-Mn合金中铁磁性元素Mn含量可延缓富Cu相由BCC结构的α-Cu向FCC结构的γ-Cu转变。外加应变主要调控富Cu析出相粗化过程。增加外加应变,Fe-15at.%Cu-1at.%Mn合金中富Cu相形貌沿应变方向拉伸更加明显;提高外加应变有利于核壳结构形成,也有利于富Cu相由BCC结构向FCC结构,原因是长棒状的富Cu相相比球形富Cu相而言,加速Mn扩散到富Cu相界面处,从而使富Cu相的演化过程加快。适当提高应变(0.03),富Cu相平均颗粒尺寸会增大,但外加应变过大时(0.05),颗粒尺寸半径会减小。
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