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3.2.2 弹性应变条件下二元合金不同浓度差的互扩散组织形貌 . 22
3.2.3 不同弹性应变条件下互扩散的差异 23
结论 26
致谢 27
参考文献 28
第一章 引言 二元合金在实际生产中有很多应用，但该类材料中存在扩散和相转变问题，从而引起微观组织和结构的变化，影响材料的使用性能，因此控制扩散过程中微观组织的形成具有非常现实和重要的意义。扩散过程中涉及大量的参数，全部使用实验手段来控制不太现实，因此模拟预测方法显得越来越重要，逐渐成为目前研究的焦点[1-2]。 目前常用的微观组织数值模拟的方法主要有三类：确定性方法（deterministic method）、概率方法（probabilistic method）和相场方法（phase-field method）[3]。其中相场法是以金兹堡—朗道理论为基础，用微分方程来体现扩散，用微分方程来体现扩散、有序化势和热力学驱动的综合作用。相场是一种计算技术，它能使研究者直接模拟微观组织的形成， 也称为直接的微观组织模拟。相场方法引入相场变量 Φ （r， t），用来表示系统在空间/时间上每个位置的物理状态(液态或固态)。在液相区，相场变量Φ(r，t)= －1；在固相区 Φ(r，t)=1；在固液两相区，Φ(r，t)的值在－1～1 之间变化[4]。相场方法可以描述平衡状态下新相与母相界面以及固液界面处复杂的生长过程。如果耦合温度场、溶质场和流场，那么就可以比较真实地对凝固过程进行模拟。并且，相场方法用统一的控制方程，不必区分固液相及其界面，不必跟踪固液界面，非常适合用于晶粒生长模拟，尤其是微观组织的三维模拟，因此相场方法成为微观组织模拟的主要研究热点[5-8]。
1.1 二元合金 二元合金是以金属为基体，添加其他元素而组成的一种合金[1]。它的相结构通常为固溶体和金属间化合物。其中固溶体按照溶质原子在基体金属晶格所占据的位置不同可分为置换固溶体和间隙固溶体，按照溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体。二元合金沉淀反应的扩散弛豫过程中，由于原子重排可引起新、母相晶格参数不同，但二者保持共格。在新相周围会产生弹性应变场，其叠加导致无限大长程弹性交互作用，将对沉淀相形貌有显著影响。 从本质上说，所有固-固相变在早期都会产生连续的微观结构。在一个连续的微观结构中，晶面和晶向在母相和产物相的相界面处或者在产物相不同位向的晶界处都是连续的。当两个不同的纯组元相互接触并且实现化学键结合时，在组元之间就形成了相界面，如果将形成相界面的二元体系加热到较高的温度，并且保温一定时间，相界面就会发生扩散溶解过程，结果在两个组元之间就会形成一个区域源]自{751·~论\文}网·www.751com.cn/ 。李世春将二组元依靠扩散和溶解在界面处形成的这个区域称为扩散溶解层。扩散连接、薄膜材料和复合材料以及表面工艺相界面处都存在扩散溶解层，通称为扩散层。该扩散溶解层的形貌、结构、相(固溶体和金属间化合物)的形成规律以及厚度生长规律都对材料的性能有很大的影响。 二元金属在固相(室温) 时，一些金属是完全互溶的、一些金属是部分互溶的、还有一些金属溶解度很小，可视为互不溶解[2]。因此，依据二元金属在固相(室温)时的相互固溶情况，二元金属体系相界面扩散溶解层应包括:二元完全、二元部分和二元互不固溶体系三类相界面扩散溶解层。作为二元部分固溶体系的 Al/Cu 和 Al/Co 以及二元互不固溶体系的 Cu/Ti 扩散溶解层已经进行了研究[3-5]。二元完全固溶体系包括 Cu-Ni、Co-Ni、Ti-Zr、Fe-Ni、Fe-Cr、V-W 和 Mo-V 等二元合金，这些合金的相图特点都是液相完全溶解、固相也完全溶解，冷却时只发生匀晶反应，固相时都是固溶体组织[6-8]。 本文选为模拟使用的二元合金为二元完全固溶体系的 A-B原子扩散溶解层，其形态、结构和形成机理相比于二元部分固溶体系的 Al/Cu 和Al/Co 以及二元互不固溶体系的Cu/Ti 扩散溶解层要简单的多，便于研究。 1.2 扩散机制及其影响机制 物质中的原子随时进行着热振动，温度越高，振动频率越快。当某些原子具有足够高的能量时，便会离开原来的位置，跳向邻近的位置，这种由于物质中原子（或者其他微观粒子）的微观热运动所引起的宏观迁移现象称为扩散。扩散是由大量原子的无数次随机行走所造成的[9]。