Fe-C-Mn合金中奧氏體-鐵素體相變的相場模擬.pdf

1、為了滿足日益增長的材料性能需求，先進(jìn)鋼鐵材料的發(fā)展吸引了廣泛地關(guān)注。鋼鐵材料的力學(xué)性能與其組織狀態(tài)緊密相關(guān)，其中，奧氏體-鐵素體相變是鋼鐵材料加工制備和熱處理過程中發(fā)生的較為普遍的物理冶金現(xiàn)象。合金中發(fā)生的奧氏體-鐵素體相變會改變材料的組織狀態(tài)，從而影響室溫下材料的力學(xué)性能。研究鋼鐵材料中奧氏體-鐵素體相變的微觀組織轉(zhuǎn)變及其動力學(xué)，對合金成分設(shè)計(jì)和加工工藝優(yōu)化以獲得所需要的材料組織和性能具有十分重要的意義。因此，本文結(jié)合相場模擬對不同成

2、分及加工工藝條件下Fe-C-Mn合金中發(fā)生的奧氏體-鐵素體相變進(jìn)行研究。
　　首先建立Fe-C二元合金的奧氏體-鐵素體相變相場模型，模擬了兩相區(qū)發(fā)生的奧氏體-鐵素體等溫相變過程。模型中考慮了C元素擴(kuò)散和相界面遷移兩個因素的共同作用。通過分析鐵素體生長過程中C的擴(kuò)散行為，發(fā)現(xiàn)奧氏體/鐵素體相界面處于非平衡狀態(tài)，相變過程表現(xiàn)為混合控制生長的特征。隨著相變的進(jìn)行，奧氏體-鐵素體相變逐漸從界面控制生長轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)散控制生長模式。利用該相場模型

3、進(jìn)一步研究了不同等溫溫度對奧氏體-鐵素體相變中微觀組織和C濃度場演化的影響，結(jié)果表明:隨著等溫溫度的降低，鐵素體形核率增大，鐵素體相變平衡體積分?jǐn)?shù)增加，但奧氏體內(nèi)部C濃度分布的不均勻程度加劇，較低溫相變溫度下的終態(tài)微觀組織呈現(xiàn)為不規(guī)則細(xì)小鐵素體晶粒圍繞分散分布的殘余奧氏體的兩相結(jié)構(gòu)。且隨等溫溫度的降低，奧氏體-鐵素體相變表現(xiàn)出由擴(kuò)散控制生長模式向界面控制生長模式轉(zhuǎn)化的趨勢。
　　為研究Fe-C-Mn三元合金在臨界區(qū)等溫時發(fā)生的奧氏

4、體-鐵素體相變，本文針對Fe-C-Mn三元合金建立了相場模型?；贕ibbs自由能守恒理論，在相場模型中考慮了替換型元素Mn在奧氏體/鐵素體相界面內(nèi)擴(kuò)散所導(dǎo)致的自由能耗散，描述了Fe-C-Mn三元系合金中因Mn在相界面偏聚所導(dǎo)致的相變停滯和相變不完全現(xiàn)象。利用相場模型研究了不同Mn含量對奧氏體-鐵素體相變微觀組織轉(zhuǎn)變和相變動力學(xué)的影響，結(jié)果顯示:隨著Mn含量的增加，鐵素體晶粒的生長形貌從橢圓狀向扁平狀轉(zhuǎn)變，奧氏體內(nèi)C濃度降低，鐵素體相的

5、轉(zhuǎn)變速率和體積分?jǐn)?shù)降低，Mn在奧氏體/鐵索體相界面內(nèi)擴(kuò)散所導(dǎo)致的溶質(zhì)拖曳現(xiàn)象越明顯，相變不完全程度加劇，奧氏體-鐵素體相變過程更易表現(xiàn)出界面控制生長模式。
　　最后，利用Fe-C-Mn三元合金的奧氏體-鐵素體相變相場模型，模擬了相變過程中不同晶界特征下鐵素體晶粒的形貌與生長動力學(xué)。模型中通過能量梯度系數(shù)和耦合項(xiàng)系數(shù)的協(xié)同變化，定量表達(dá)晶界能與晶界遷移率的各向異性，同時固定相場界面寬度來保證計(jì)算精度。模擬結(jié)果顯示:隨著原奧氏體晶界能