相场法研究Cu-Ni-Si-Mg合金富Ni相析出机制

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Cu-Ni-Si-Mg合金作为时效硬化合金,析出相是直接影响该合金强度、导电率等主要性能的一个关键因素。但是,Cu-Ni-Si-Mg合金在时效过程中的微观结构变化还不十分明确,对该合金析出相的相场研究也相对较少。随着模拟技术的进步和时代的发展,仅仅依靠实验手段方法,已然无法满足研究的要求,需借助于模拟来进一步深入研究。目前,模拟研究对真实材料系统研究案例还不是很多,且大多是针对二三元合金体系,对此使用相场法模拟多元合金体系还是具有一定的创新意义。本文建立了Cu-Ni-Si-Mg四元合金相场模型,对Cu-Ni-Si-Mg四元合金时效中析出相生长机制进行模拟。在完全忽略弹性应变能的作用时,Cu-Ni-Si-Mg合金在723K温度下时效早期很快就发生了调幅分解,最终形成的微观组织是由富Cu与富Ni、Si的两相交错分布,呈无序状组织且颗粒化明显;考虑弹性应变能作用时,Cu-Ni-Si-Mg合金的微观组织呈现出明显的取向特点,沿[10]和[01]方向排列,呈现为互相垂直的长条棒状。温度对富Ni相析出相的影响归因于沉淀颗粒的大小和数量,因为在较高温度下时效会产生较粗且较少的颗粒,并且随着温度(和持续时间)的增加,合金元素在Cu基体中的数量密度降低。通过这些因素的贡献,与较低的时效温度相比,降低了沉淀颗粒的总体积,并在一定程度上导致了沉淀动力学的下降。适当成分含量的Mg促进固溶元素的析出,析出物密度升高,从而抑制富Ni相的长大,使得颗粒细化,提升合金性能。不同Mg成分的析出演化情况表明,Mg的加入,提高析出物密度,减小沉淀物间的间距,从而导致相邻的富Ni相相互连接,使得析出相的数量密度先上升最后缓慢下降。Cu-Ni-Si-Mg合金富Ni析出相的三维模拟变化规律与二维情况基本相似。元素映射显微分析表明析出的细颗粒与Cu、Ni和Si元素有关,与Mg无关。Cu-Ni-Si-Mg的模拟结果与实验中暗场显微照片相一致,本次模拟结果可靠有效。复杂工艺性能结果表明,在723K时效45min后,合金的硬度(254.8HV)、抗拉强度(714.6MPa)、延伸率(14.0%)和导电率(43.57%IACS)达到良好的结合。
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