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二相粒子析出对晶界移动影响的物理模型研究

王学伦  
【摘要】: 从形成相应的理论算起,关于二相粒子与晶界之间相互作用的研究至今已有60年的历史。发展起来的各种钉扎力模型被普遍用来解释陶瓷材料和冶金工艺过程中的回复、再结晶以及晶粒长大现象。二相粒子通过在二相析出物或气孔处对晶界的钉扎作用,阻止晶粒长大。利用二相粒子对晶界的钉扎力来获得多晶材料较小的晶粒尺寸已经成为固有的方法。 本文主要研究了碳钢和微合金钢在加热过程中组织演变规律的部分辅助模型,从能量的角度首次系统地推导出了晶界与二相粒子相互作用过程中变形晶界的数学表达式,并以此建立了新的二相粒子钉扎晶界的物理模型。 基于系统能量最小原理,本文选择静态条件下旋转体表面积最小的悬索方程作为研究变形晶界的初始形态。从动态条件下系统也应该按照能量最小的方向迁移的角度出发,首次推导出了适用于晶界与二相粒子动态作用条件下的晶界方程。 从功能转化的角度出发,本文分析了钉扎力与系统界面能之间的变化关系。二相粒子钉扎晶界将会导致晶界弯曲,进而使得界面系统能量的增加。基于本文推导的晶界方程,本文求出了二相粒子与晶界之间作用距离的数学表达式。假定二相粒子为球形并根据牛顿经典力学理论,本文成功开发了新的二相粒子钉扎晶界的物理模型。 本文建立的物理模型成功地避免了已有模型普遍存在的晶界与二相粒子处处作用平衡的假设。同时,本文模型还避开了从几何角度推导模型必需的二相粒子与晶界之间共格或非共格的假设。从模型的推导过程和物理基础来看,本文建立的模型更为符合二相粒子与晶界之间的实际作用过程。更为重要的是,现场实验数据与本文钉扎力模型计算结果能够完美地吻合,这也就验证了本文开发模型的合理性。 假定二相粒子弥散分布于基体组织,本文模型预测了钉扎单个晶粒所需要的临界二相粒子个数、给定二相粒子尺寸或晶粒尺寸时钉扎晶界所需要的临界二相粒子的体积百分含量以及阻止晶界迁移单位面积上需要的二相粒子个数。文章最后还讨论了二相粒子与晶界之间的作用范围问题。


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