FCC/BCC系统中沉淀相变晶体学形成原因的实验和理论研究

沉淀相变晶体学知识是理解和控制沉淀相形貌的基础，许多材料系统中相变晶体学的形成规律和成因仍十分不清楚，这部分知识的不完善是相关材料科学设计的一个瓶颈。本项目拟对两种FCC/BCC合金（Cu-Fe和双相不锈钢）中沉淀相从相变初期和长大过程中相变晶体学的演化进行系统的精确测量和能量（弹性应变能和界面能）计算分析。在实验方面，主要运用透射电子显微镜（TEM）获得沉淀相在相变不同阶段的相变晶体学定量数据（包括形貌，位向关系，择优界面取向和界面结构等）。在理论分析方面，以相变晶体学的O点阵理论和近重点阵位模型等几何方法计算三维错配场和位错结构，运用分子动力学方法（MD）计算界面能以及应用微观弹性力学理论计算弹性应变能。对照实验和理论结果探索FCC/BCC系统相变晶体学的形成规律和成因。这项研究结果将完善关于沉淀组织演化的知识，丰富相变晶体学理论，提高其预测能力，为科学地开展组织设计提供理论依据。

金属材料中固态相变产物往往呈现丰富多彩的晶体学形貌，现代测试技术可以定量表征这些形貌，对这些形貌的定量理解是科学调控材料微结构的基础。然而，许多材料中相变晶体学的演化和择优规律仍十分不清楚，这部分知识的不完善是阻碍相关材料基于知识设计的一个瓶颈因素。本项目开展FCC/BCC系统沉淀过程中相变晶体学演化的系统研究，结合几何相变晶体学理论、原子尺度模型的能量计算，旨在揭示和解释相变晶体学演化的择优规律，开拓理论方法。对于相变前期（共格阶段），提出结合BVC模型和奇异值分解的方法，分析此阶段的错配分布，给出了可能的位向关系，结果和前人的实验结果吻合。对于相变后期（半共格阶段），在满足O线（惯习面含一组位错）条件下运用矩阵方法推导了FCC/BCC系统中两类常见柏氏矢量对应的位向关系，惯习面取向，界面位错线方向和位错间距的解析表达式。运用嵌入式原子势对常见FCC/BCC系统合金纯铁，Ni-Cr，Fe-Cu合金等系统（晶格常数比接近1.255）惯习面的界面能进行了计算。解释了为什么实际系统中近K-S位向关系（界面位错间距较小）相变对于N-W位向关系（界面位错间距较大）相变常观察到的原因。另外还研究了晶格常数比、成分、弹性模量等因素对界面择优的影响。通过比较相变初期和相变后期晶体学择优结果，提出了可能的演化机制：转动或二维形核机制。本研究还开拓了相变晶体学分析的理论方法，这包括提出用结构奇异性来描述择优界面的方法，用位错的分布和空间匹配好点分布等特征的奇异性来表征奇异界面。为系统地研究择优界面提供了直观的定量分析工具，也为本课题组过去提出的，已经被许多同行采用的delta-g方法补充了物理基础。另一方面的开拓也是突破性的，发展了三维解析计算方法，获得含一组位错的惯习面的法向椭圆曲线方程，并给出简易二维求解方法和界面矢量方法。总的来说，本项目所取得进步，不但加深了对FCC/BCC系统相变晶体学的认识，而且完善研究相变晶体学的普适性理论方法。