沉淀相变初期相变应变及其释放过程对相变晶体学的影响

现有相变晶体学模型可以定量解释许多系统相变"成熟"期惯习面等晶体学特征，却往往难以对之预测。一个原因是不了解该系统的相变晶体学如何从有长程应变场的初期共格状态发展到无长程应变场的"成熟"状态。解决问题一个关键点是，弄清在过渡状态里相变应变场的释放如何影响"成熟"相变晶体学的形成。本项目拟对沉淀相变初期的应变释放、位向关系及沉淀相形貌等晶体学特征进行系统的理论和实验研究。在理论方面，采用蒙特卡洛原子尺度计算研究长大初期共格新相的相变晶体学；基于连续介质力学理论计算不同位向关系和应变释放方式之间的能量差异，同时结合"成熟"沉淀相晶体学理论方法和位错的形成途径，建立从共格到"成熟"的沉淀相之间相变晶体学特征的联系。在实验上，应用透射电镜对Cu-Cr合金中Cr沉淀相在不同相变阶段（重点是初期）晶体学特征进行定量测试。结合理论分析和实验结果建立相变初期晶体学理论，提高相变晶体学理论预测能力。

大多数工业上重要金属材料的组织是通过发生在许多生产工艺中的固态相变形成的。对相变组织形成的深入理解是定量调控材料组织、通过计算设计材料和优化材料性能的科学基础。金属材料中相变产物往往具有特征晶体学形貌。然而，对许多材料组织晶体学形貌认识的不完善是阻碍基于知识的材料组织定量控制和定量设计的瓶颈之一。本项目结合分子动力学和蒙特卡洛方法模拟BCC新相在FCC母相中的析出过程，并采用新发展的原子尺度模型开展FCC/BCC体系界面能计算，获得了创新性的进展。首次获得了该系统沉淀相变初期的相变晶体学随着失配位错引入的逐步演化结果，并揭示了FCC→BCC(T)相变初期应变场释放的规律，即失配时选择的位错迁移系统应该最有效地释放相变应变能, 在FCC→BCC(T) 系统中一般是 (11-2)b[111]b/2。为了获得无理取向界面的可靠界面能数据，建立了界面能计算的新方法，这包括提出了无理界面原子结构的构造准则，并获得了无理界面的界面能的可靠计算数据。结果表明了初期失配位错和界面能对“成熟期”惯习面和位向关系形成的关键作用。模拟结果与实验结果的一致性，包括位向关系、惯习面取向及界面结构、形貌晶体学发展趋势等，既能解释前人初期的观察结果又能外推至“成熟期”的实验数据。本项目还根据界面能数据和初期演变模拟结果，对早期相变晶体学模型做了修正，结果可以更全面地涵盖现有实验测试数据。此外，出于对模拟结果中位错结构分析的需要，建立了基于Nye矩阵奇异值分解法的普适识别算法，实现了模拟结果的快速、自动、精确分析。总之，本项目研究对FCC/BCC系统相变晶体学的认识取得了显著进展，澄清了沉淀初期相变晶体学如何逐步演化，相变应变场如何释放，由此加深理解了从较大的沉淀相上观察到的O线惯习面和相关位向关系。这些进步也推动了普适性相变晶体学理论的发展。所发展的新计算方法不但贡献于本项目研究的进步，也对一般材料系统界面能和界面位错计算方法的进步做出有意义贡献。