Fe-Cu合金析出强化行为的价电子结构理论研究

运用固体与分子经验电子理论,建立Fe-Cu二元合金固态时效过程中基体及析出相的价电子结构模型,从电子层次揭示Fe-Cu合金强化机理。理论计算结果表明,合金中Cu原子与Fe原子通过化学键结合,其时效峰值处所形成的类B2结构亚稳相的最强和次强键的共价电子对数远高于合金基体α-Fe晶胞的最强和次强键,同时析出相各键的结合能也高于合金基体,这种较强的Fe-Cu键形成规则排列,使得Fe-Cu最强键上的共价电子对数增加,起到提高合金整体键强的作用。同时,高键能的Fe-Cu偏聚形成的析出相会增加位错运动的阻力,使合金的强度得到明显提高。利用EET理论预测Fe-Cu析出强化结果与实测结果吻合良好,验证了该方法的有效性和可靠性。

基于计算机仿真的Fe-Cu合金基体损伤分子动力学研究

以Fe-Cu合金为研究对象,利用分子动力学仿真软件建立了辐照所导致的缺陷结构模型,研究了缺陷特征能、辐照温度对空位团簇以及间隙原子团簇份额的影响等。结果表明:Fe-Cu合金在辐照条件下由于级联碰撞产生缺陷,Cu对产生缺陷的复合、湮灭以及数量影响很小,但能够降低空位迁移能,辐照温度对空位团簇份额和间隙原子团簇份额有显著影响。随着辐照温度的升高,两个团簇份额均出现先升高后下降的变化趋势。

两相Fe-Cu合金的硫化腐蚀特性

研究了Ｆｅ－２５Ｃｕ、Ｆｅ－５０Ｃｕ和Ｆｅ－７５Ｃｕ在硫压高于二组元硫化物分解压条件下的高温硫化，并着重于硫化反应产物结构特征．各合金的腐蚀速率均低于纯铁和铜，其中Ｆｅ－２５Ｃｕ最慢而Ｆｅ－５０Ｃｕ最快．合金形成复杂的硫化膜结构：其外层为两种二元复合硫化物（Ｃｕ５ＦｅＳ４和ＣｕＦｅＳ２）的细微混合层；其内层含未被硫化的金属态α（Ｆｅ）相粒子和源于β（Ｃｕ）的内硫化物Ｃｕ５ＦｅＳ４．由于金属向外迁移的结果，该区域常有大量孔洞形成．硫向合金内的渗透速率随铜含量和温度的升高而增加．此外，在外／内硫化膜界面上形成一些纯金属铜颗粒，它们或呈粒状并被硫化物所包裹、或呈胡须状突出于硫化膜之外．就双相合金腐蚀区别于固溶体合金的特性，对所得实验结果进行了讨论．

应用正电子湮没谱学技术研究Fe-Cu合金微观缺陷的进展

针对近年来材料辐照改性、辐照损伤等复杂微观缺陷结构的研究,以二元Fe-Cu合金辐照损伤缺陷及微量Cu析出物的微观结构研究为基础,综合论述正电子湮没谱学技术(PALS,CDB,AMOC)在Fe-Cu合金复杂微观缺陷结构研究中的应用研究进展。

Fe-Cu合金相分离过程

采用喷铸和单辊旋淬快速冷却法制备Fe_(80)Cu_(20),Fe_(60)Cu_(40),Fe_(50)Cu_(50)3种成分Fe-Cu合金,利用SEM,XRD,DSC对其凝固微观组织、相结构及相变热力学过程进行观察和分析。结果表明:3种成分的Fe-Cu合金均发生了不同程度的相分离,且Cu含量越高,DSC降温曲线上出现的液-液相分离温度越高,结晶组织中相分离现象越明显;Fe_(80)Cu_(20)合金随着过冷度的增加,富Fe相枝晶晶粒尺寸变小的同时富Cu相的体积分数也不断减少,而Fe相、Cu相的晶格常数均随过冷度的增加而增大,过冷度的增加提高了分离相的固溶度;在Fe_(60)Cu_(40)及Fe_(50)Cu_(50)合金中富Cu区出现二次相分离的富Fe小球,且富Fe小液滴不断聚集以降低界面能。揭示了Fe-Cu相分离型合金的快速凝固过程。

压力容器模型材料Fe-Cu合金辐照脆化原因分析及防预方法

通过构建压力容器模型材料Fe-Cu合金辐照脆化评估模型,进行Fe-Cu合金辐照脆化的预防分析,提高压力容器模型材料的使用寿命。采用分子动力学理论模拟压力容器模型材料Fe-Cu合金辐照脆化模型,结合非线性分子动力学理论,对Fe-Cu合金辐照脆化过程进行相空间重构和动力学特征提取,通过实验分析得到Fe-Cu合金辐照脆化的时间暂态曲线,采用电沉积反应连续成核方法,进行压力容器模型材料Fe-Cu合金的脆化预防。采用分子动力学理论模拟与实验验证相结合的研究方法,给出了脆化的预防方法,对进行Fe-Cu合金辐照脆化防治提供理论基础和实验数据。

Fe-Cu合金基体损伤的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟了压力容器模型材料Fe-0.05Cu和Fe-0.3Cu合金的级联碰撞过程.研究了辐照导致的缺陷构型及其特征能量、Cu的空位迁移机理、Cu含量对初始损伤的影响、辐照温度对间隙原子团簇和空位团簇的影响等.结果表明,Cu对级联碰撞产生的缺陷数量、湮灭和复合没有明显影响,但可降低空位迁移能.辐照温度对团簇有明显影响.

Fe-Cu二元互不溶体系中纳米晶过饱和固溶体的机械合金化制备研究进展

Fe-Cu二元互不溶体系合金在机械合金化过程中形成纳米晶过饱和固溶体,并显示出与其微米尺度结构合金所不同的独特性能。综述了近年来Fe-Cu二元互不溶体系中纳米晶过饱和固溶体的机械合金化研究进展,着重介绍了Fe-Cu纳米晶过饱和固溶体的形成机理及其力学和物理性能等。

铸造方法和正火对Fe-Cu合金组织和切削加工性能的影响

采用硬度测试、显微组织观察和能谱分析等手段研究了不同铸造方法对Fe-Cu合金硬度与组织的影响,对比分析了铸态和正火态Fe-Cu合金的切削加工性能并探讨了合理的切削加工参数。结果表明,金属型铸造Fe-Cu合金的硬度最高,耐火砖型铸造FeCu合金的硬度最低;合金铸造时的冷却速度与其硬度呈正影响关系,冷却速度越大则合金硬度越高。金属型铸造Fe-Cu合金中,网状的组织主要分布在晶界处,而断续线状结构组织主要分布在晶粒内部;树脂砂型铸造Fe-Cu合金中,断续线状组织的数量明显减少,晶界处的白色组织从连续状转变为断续状,但是网状壁的厚度增加;耐火砖型铸造Fe-Cu合金中,晶界处的白色组织转变为柱状或者块状。随着冷却速度的逐步降低,Fe-Cu合金基体组织中Fe元素的含量逐渐增加,而Cu的含量逐渐降低;在切削参数相同的条件下,正火态Fe-Cu合金的切削力比铸态Fe-Cu合金的高。

相场法研究Fe-Cu-Mn-Al合金富Cu相析出机制

基于Ginzburg-Landau理论采用连续相场法模拟了Fe-15%Cu-3%Mn-x Al(质量分数x=1%, 3%, 5%)合金在873 K等温时效时纳米富Cu析出相沉淀机制及Al含量对富Cu相析出的阻碍效应.通过计算成分场变量和结构序参数,研究了富Cu析出相的形貌、颗粒密度、平均颗粒半径、生长和粗化动力学.研究结果表明:在时效早期阶段,纳米富Cu相通过失稳分解机制析出,由于原子扩散速率存在差异,从而形成以富Cu相为核心的核壳结构.随着时效时间延长,富Cu相析出物结构由体心立方转变为面心立方.其中Al和Mn原子在富Cu核外偏析形成Al/Mn簇,可以将其视为阻碍富Cu析出相形成的缓冲层;在沉淀过程中,随着Al含量的增大, Al/Mn金属间相促进了缓冲层的生长,阻碍富Cu析出相的生长和粗化.

合金元素Ni对Fe-Cu合金析出过程的影响

以添加Ni前后的Fe-Cu合金和Fe-Cu-Ni合金为研究对象,采用金相显微镜(OM)观察了Fe-Cu合金与Fe-Cu-Ni合金时效过程中的显微组织形貌变化,借助硬度测试分析了两种合金在等温时效过程中的硬度变化规律,并利用透射电子显微技术(TEM)进行了两种合金的析出相精细结构观察与衍射分析,在此基础上,通过实验与理论分析相结合的方法,探索了Ni元素的添加对含铜钢的显微组织、硬度及析出相形貌、尺寸的影响。显微形貌及硬度测试显示,Ni元素的加入提高了钢的淬透性,从而促进了淬火马氏体的形成,合金的强化效果显著增强,硬度与不添加Ni元素的实验钢相比有明显提高;析出相观察发现,含铜钢中Ni元素的加入加快了形核的进程,提高了析出相颗粒的形核的速率,促进富Cu相的析出,从而细化了析出相的尺寸;透射电子衍射分析表明,Cu在时效过程中会发生结构演化,逐渐形成了bcc结构的富Cu亚稳相。

Fe-Cu合金热老化的巴克豪森噪声研究

对Fe-1.0wt%Cu合金进行550℃不同时间的时效处理。采用巴克豪森噪声信号(MBN)检测,透射电镜(TEM)和显微维氏硬度测试等方法研究了MBN信号与微观组织和力学性能之间的关系。结果表明:MBN信号对富Cu原子团簇非常敏感,随着时效时间的延长,MBN信号先快速降低,并于2 h处取得极小值,随后又缓慢增加。上述变化主要归因于富Cu原子团簇以及内应力场对材料磁畴壁运动的阻碍作用。维氏硬度测试显示Fe-1.0wt%Cu合金时效过程存在显著的硬化和软化两阶段,且硬度值与MBN信号倒数呈相似的变化规律。通过线性拟合可得到MBN信号与维氏硬度之间的线性关系式。同时也验证了MBN检测技术用于富Cu原子团簇引起的材料老化检测的可能性。

辐照条件下Fe-Cu合金中富Cu析出相的临界形核尺寸和最小能量路径的弦方法计算

基于约束弦方法和相场理论,对辐照条件下Fe-Cu合金中富Cu析出相的临界形核尺寸和最小能量路径进行了计算,得到了不同温度和不同Cu含量的富Cu团簇的最小能量路径、临界形核半径、空位浓度场分布等参数。计算结果表明:温度和Cu含量对Fe-Cu二元合金中富Cu相的析出过程的能量路径和临界形核团簇尺寸有很大影响。温度是影响形核能量路径方向的主要因素,Cu含量是影响团簇生长速率的主要因素。温度越高,Cu含量越高,形核达到临界形核尺寸所需要的时间越短,所需要翻越的能量势垒越低。Cu元素浓度场的分布对辐照空位浓度的分布有很大的影响。在富Cu团簇中的空位浓度比Fe-Cu基体中更低,而且Cu浓度越高,空位的浓度越低。上述计算结果与实验结果基本一致。

基于特殊准随机结构模型的FCC Fe-Cu无序固溶体合金的弹性稳定性

采用基于投影缀加波赝势和广义梯度近似的第一性原理计算方法计算FCC结构Fe以及3种Fe-Cu无序固溶体合金(Cu原子摩尔分数分别为25%、37.5%和50%)的基态性质、弹性常数以及电子结构,其中Fe-Cu无序固溶体合金采用特殊准随机结构模型进行计算。能量计算结果表明:FCC结构Fe存在无磁、低铁磁以及高铁磁性3种状态,而FCC结构Fe-Cu无序固溶体合金只存在无磁与高铁磁性两种状态。高铁磁性FCC结构Fe不满足Born弹性稳定性准则,铁磁性FCC结构Fe-Cu无序固溶体合金的弹性稳定性随着Cu含量的增加而增加;当Cu原子的摩尔分数不低于37.5%时,Fe-Cu无序固溶体合金满足Born弹性稳定性准则,此时合金以亚稳态形式存在。

Fe-Cu-Sn烧结体的显微组织与力学性能

分别采用水雾化Fe-30%Cu合金粉末和单质Sn、Fe、Cu元素粉末为原料制备Fe-Cu-Sn合金,研究原料粉末和Sn含量(质量分数)对Fe-Cu-Sn烧结体致密度、冲击韧性、硬度和抗弯强度的影响。结果表明:与采用元素混合粉末相比,采用合金化程度较高的Fe-30%Cu(质量分数,下同)合金粉末为原料能大幅提高850℃烧结的Fe-Cu-5%Sn合金的致密度和力学性能,其致密度由82.8%提高到94.3%,硬度、冲击韧性和抗弯强度分别提高52%、84%和109%;当Sn的质量分数w(Sn)为3%～15%时,随着Sn质量分数增加,合金的硬度增大,冲击韧性和抗弯强度先增加后减小,其中w(Sn)为5%时,其抗弯强度和冲击韧性都较高,分别为977 MPa和11.6 J/cm2。当烧结体为"双重结构"组织时,其力学性能显著提高。

M-Cu(M:Fe,Co)合金亚稳液相分离时液相间的界面能

基于Becker界面能模型,由合金相图和液态合金的过剩热力学数据,计算了M-Cu (M:Fe,Co)包晶合金亚稳液相分离时液相间的界面能.

块体纳米晶Fe-50Cu合金在H2SO4溶液中的电化学腐蚀行为

采用电化学方法,通过测试开路电位、极化曲线和交流阻抗谱等研究了粉末冶金法(PM)制备的一种常规尺寸以及液相还原法(LPR)和机械合金化法(MA)热压制备的两种纳米晶块体Fe-50Cu合金在不同浓度H 2SO 4溶液中的电化学腐蚀行为及显微组织对其腐蚀性能的影响。结果表明:三种不同方法制备的Fe-50Cu合金的腐蚀电流密度均随着H 2SO 4溶液浓度的增加而增大,腐蚀速度变快。三种Fe-50Cu合金的交流阻抗谱均由单容抗弧组成,表明腐蚀过程受电化学反应控制,它们的传递电阻随着H 2SO 4溶液浓度的增加而减小。在相同浓度的H 2SO 4溶液中,晶粒细化后,合金的腐蚀电流密度增加,合金耐蚀性能下降。纳米晶LPR Fe-50Cu合金的腐蚀电流密度比纳米晶MA Fe-50Cu合金大,传递电阻和活化能比纳米晶MA Fe-50Cu合金小。因此,其腐蚀速率比纳米晶MA Fe-50Cu合金快。

Fe-1.5wt% Cu合金中Cu纳米颗粒与微观缺陷热回复过程研究

不锈钢结构材料中Cu纳米团簇是导致核反应堆压力容器钢脆化的主要原因之一。本文用扫描电子显微镜(SEM)和正电子湮没谱学(PAT)研究材料中的纳米Cu颗粒以及微观缺陷经热处理后的回复过程。PAT测量结果表明,Fe-1.5wt%Cu合金在1 173 K高真空退火处理后,主要缺陷得以回复,合金中存在Cu纳米颗粒且能吸引并捕获热化后的局域态正电子。SEM对不同温度退火样品的微观结构进行表征,结果表明,随着退火温度的升高,合金中Cu纳米颗粒的浓度逐渐降低。1473 K退火,SEM未观测到明显的Cu纳米颗粒,而多普勒展宽能谱的W参数表明合金中仍存在微小Cu纳米颗粒。

微波烧结Fe-2Cu-0.6C合金的保温时间对组织与性能的影响

对微波烧结Fe-2Cu-0.6C粉末冶金材料进行了1150℃不同保温时间下的性能和显微组织研究,并与常规烧结试样进行了对比。结果表明:微波烧结保温时间由5min增加至15min,试样的各项性能达到最佳:密度为7.22g/cm3,硬度HRB为78,抗拉强度为416.8MPa,延伸率为5.5%;保温时间延长至20min对试样性能影响不大。微波烧结的性能较常规烧结高。通过金相显微分析表明:微波烧结有着良好的微观结构,即小的、近圆形且均匀分布的孔隙结构,从而也有利于获得细小的晶粒和高的致密度;微波烧结较常规烧结有着更多片状和粒状珠光体,能显著改善其性能。由断口分析可知,常规烧结样品属于脆性穿晶断裂,而微波烧结样品为脆性穿晶断裂和韧窝型的穿晶韧性断裂的混合型断裂。

液态和过冷态Fe-20%Cu合金表面张力的测定与计算

利用电磁悬浮液滴振荡法测定了液态和过冷态Fe-20％Cu合金的表面张力,测定表明在1580～1900 K温度范围内液态和过冷态Fe-20%Cu合金表面张力与温度变化的关系满足方程σFe-20%Cu=1.658-2.234×10^(-4)(T-1803 K)。利用基于Butler方程和相图计算技术的表面张力计算软件(STCBE)计算了该合金的表面张力,计算值与实验值在误差范围内相吻合。