合金材料的微觀結構和相演化過程,尤其是液固轉變行為,是材料科學和凝聚態物理研究領域的前沿問題之一。過冷熔體液相和固相的吉布斯自由能差決定了相演化過程,多相合金熔體過冷度增大時會發生不同固相間的競爭形核,顯著影響材料的組織和性能產生。研究多相合金在不同過冷度下的形核機制對調控合金組織和提高性能具有重要意義。包晶合金作為典型的多相合金,因其廣泛的應用前景而備受關注。包晶相在最終凝固組織中產生單一且性能優良的包晶相,但目前研究主要集中在液相線溫度與包晶溫度之間的較窄溫度區間的包晶系,因此關于高液相線溫度的難熔合金的凝固過程是當前研究領域面臨的重大挑戰。
來自西北工業大學的王海鵬教授團隊結合分子動力學模擬和經典形核理論研究了Nb-Ni包晶合金凝固過程中的動力學行為。他們發現通過控制冷卻速率,Nb-Ni合金表現出不同的凝固路徑,形成不同的組織和組成相,進而可以利用經典形核理論和時間-溫度等效圖預測Nb-Ni合金非晶相的臨界速率。相關論文以題為“A kinetic transition from peritectic crystallization to amorphous solidification of rapidly quenched refractory Nb-Ni alloy”發表在Acta Materialia上。
論文鏈接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645422005080
圖1. 不同冷卻速率下NbNi合金的凝固行為: a) x射線衍射圖; b) V = 10 m/s,鑄錠組織; 絲帶組織c) V = 10 m/s; d) V = 20 m/s; d) V = 48 m/s。
圖2. 不同溫度下NbNi合金對分布函數: a)總對分布函數; (b-d) Nb-Nb, Nb-Ni和Ni-Ni偏對分布函數。
圖3. 不同溫度下NbNi合金原子結構: a) Nb原子和c)Ni原子Voronoi指數,b), d)對應的配位數。
圖4. 300 K時NbNi非晶合金原子排列: a)所定區域的FFT和IFFT圖像; b) Ni中心和c) Nb中心的VPs; d-f)團簇中心原子(紅色為Ni原子,藍色為Nb原子)。
圖5. (Nb)和Nb7Ni6相的TTT圖。
總的來說,作者通過熔融紡絲法研究了難熔NbNi包晶合金的快速凝固過程,基于透射電鏡分析、分子動力學模擬和經典形核理論探索了包晶凝固模式的動力學轉變和快速凝固過程中的相形成。包晶凝固方式隨冷卻速率增加由包晶Nb7Ni6相轉變為包晶非晶相。HRTEM圖像表明,晶體結構化學無序度形成于成核和早期生長過程的,而化學有序度形成于Nb7Ni6相后期生長過程。基于MD模擬得到的能量和溫度曲線以此標標定的玻璃轉變溫度與實驗結果吻合較好。根據經典形核理論和TTT圖,(Nb)相在低過冷度和低冷卻速率下優先形核長大,包晶Nb7Ni6相則隨著過冷度和冷卻速率增加而從液態合金中析出,進而確定了形成非晶的臨界冷卻速率。這些新發現不僅有助于增進對Nb-Ni合金凝固機理的進一步認識,同時對設計高性能Nb-Ni合金具有重要指導意義。
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