文献综述
1、课题研究背景以及发展前景
铁铬合金系是非常重要的工程材料不锈钢家族的基础。近年来，高Cr含量的铁素体和马氏体钢合金以其高的抗辐照性能和高温强度得到人们重视，成为用于高温、强辐射等环境的重要候选结构材料[1]。合金在工作中承受高温、应力、腐蚀等作用，其工作状态多为疲劳蠕变交互作用，长期工作中，材料组织的稳定性是极为重要的，现代合金要求具有长期使用下保持组织稳定性的能力。此项工作成为材料工作者的重要研究内容并为之做出了不懈的努力，已经取得了比较显著的成果。合金组织的长期稳定性是关系到合金的使用寿命和使用安全的关键问题，越来越受到重视[19]。由于微结构组分在空间和时间上分布范围很大，加之晶格缺陷之间各种可能的相互作用的复杂性，要从物理上量化地预言微结构的演化与微结构性质之间的关系，越来越显示出采用各种模型和模拟方法的必要性，尤其是对不能给出严格解析解或不易在实验上进行研究的问题，应用模型和模拟更为重要[9]。就实际工程方面的有关问题而言，应用数值近似方法进行预测计算，可以有效地减少在优化材料和设计新工艺方面所必须进行的大量实验，材料模拟及材料制备工艺的进步，极大地促进了新产品的优化和发展[3]。因此，可用计算机模拟Fe-Cr合金的分解过程，从而为材料微观结构的预测和设计提供理论依据。
2、铁铬合金研究现状
近年来，计算机应用方面己经做过不少开拓性的工作。如：应用相图测定的计算机方法；采用计算机取代手工绘图；相变研究中，通过研究加热和冷却过程中的组织结构性能(包括淬透性等)之间的关系，以数学模型形式，用以预测材料性能；将计算机技术引入材料微观结构进行相应的分析研究。计算机模拟使材料微观组织的研究提供了高效手段，近几年的成果也很明显[3]。Ishikawa采用商业软件DEFORM 模拟了钢热镦粗过程中的微观组织演变情况。Semiatin 等建立了超耐热合金热变形过程的微观组织演变模型, 并对二维热镦粗和扁平状模锻过程的晶粒尺寸和分布进行了预测。Kwak等应用自主开发的有限元程序预测了热镦粗过程中的再结晶行为。Jang等利用Yada提出的经验公式和热力耦合刚粘塑性有限元研究了C-Mn钢热镦粗过程不同变形程度下的动态再结晶晶粒大小与分布[8]。
目前已经有较多的对合金相分解过程的模拟，如美国的L.Q.Chen等多年来一直致力于Al-Li等二元合金的沉淀过程的模拟，国内西北工业大学陈铮教授课题组模拟研究了外场作用对Al-Li合金沉淀机制的影响，T.Mtyazaki模拟了Fe-Al-Co合金的微观组织演化等。对于Fe-Cr合金的失稳分解，也有很多，如M.K.Miller等人结合实验，理论和数值模拟对Fe-Cr合金的失稳分解进行了分析，讨论了相分解早期的动力学和失稳分解微结构的形貌和结构特征，并对模拟和实验结果进行比较，他们的实验数据展现了alpha;相和alpha;相区域之间的界面是不规则的Enrique Martnez等人运用蒙特卡洛法对热力学时效下的Fe-Cr固溶体的分解动力学进行了模拟，模拟结果与三维原子探针和中子散射实验得到的结果十分吻合。M. Honjo等人利用Cahn-Hilliard 非线性扩散方程建立模型对Fe-Cr二元合金和Fe-Cr-Mo合金相分解进行模拟，主要对失稳分解产生的成分调质结构的波长进行研究，发现和原子探针测得的结果吻合[15]。
3、铁铬合金相析出相关理论知识
相变是指温度、压力或成分连续变化达到某一特定值时，相所发生的突变。铁铬合金相析出属于固态相变过程的脱溶(沉淀)和条幅分解过程。在这些相变发生的过程中，我们需要从相变热力学、相变动力学和相变晶体学去研究铁铬合金相析出过程[5]。根据以下几个过程，(1)相变的基本准则：相变是朝着能量降低的方向进行；相变是选择阻力最小、速度最快的途径进行；相变可以有不同的终态，但只有最适合结构环境的新相才易于生存下来[16]。(2)固态相变的特殊性（相界面、弹性应变能、位向关系与惯习面、亚稳过渡相、原子迁移率、晶体缺陷）。固态相变除满足热力学条件外，还须获得额外能量来克服晶格改组时原子间的引力，即存在相变势垒[16]。相变势垒由激活能决定，也与是否有外加机械应力有关。(3)相变驱动力和相变阻力:驱动力是体积自由能，来自晶体缺陷（点，线，面缺陷）的储存能。相变阻力是界面能和弹性应变能[16]。弹性应变能与新旧相的比容差和弹性模量，及新相的几何外形有关。从能量的角度来看，共格界面的弹性应变能最大，非共格界面的界面能最大[19]。球形新相界面能最小，但应变能最大，圆盘状新相相反，针状新相居中。(4)长大方式：新相晶核的长大分为协同（共格或半共格，切变）和非协同（非共格或扩散）两种，前者速度快，后者速度慢。原子只能短程扩散时，长大速度与过冷度（温度）存在极大值；长程扩散时，长大速度与扩散系数和母相的浓度梯度成正比，与相界面处两相的浓度差呈反比[16]。(5)相变速率：相变速率满足Johnson-Mehl方程或Avrami经验方程[20] [13]。相变之初和相变结束其，相变速率最小，转变量约50%时，相变速度最大[7]。扩散型相变的动力学曲线呈“C”形[16],是由驱动力和扩散两个矛盾因素共同决定的[18] [11]。
在铁铬合金相的析出过程时在520℃以下时效，Fe-Cr合金系统会发生失稳分解产生alpha;相，alpha;相是一种富铬的脆性相，它的析出会导致不锈钢塑、韧性降低，耐蚀性恶化（由于alpha;相出现脆性的温度为475℃，故称475℃脆性）[6] [4] [21]。同时由于Fe-Cr合金的相分解受合金成分，弹性应力，热力学，动力学等因素影响[7]。目前的研究主要是针对某一影响下的相分解和粗化过程，因此有必要研究多种作用影响下的相分解和微观组织演化规律，并进行对比[16]。影响微结构性质的因素很多，而且微结构在时空范围内广泛分布[11]，相互之间的作用也很复杂，这样对于微结构的演化与微结构性质之间的关系的预言很难[8]。而相场方法采用的是扩散界面模型，可以利用场变量来描述处理任意类型的微结构[7]。模型将各种影响微结构性质的因素包括体积自由能、界面能、梯度能、弹性应变能考虑在内，这样可以模拟我们用实验的方法难以研究的因素对微结构的影响[11]，使我们对微结构演化有更深的认识，也因此相场法在在材料微结构模拟方面得到了广泛的应用[10]。相场法是以金兹堡—朗道理论为基础，用微分方程来体现扩散和有序化势的综合作用。研究发现，alpha;相沉淀对高Cr量的超级铁素体不锈钢将更为有害[8] [3]。由于Cr的加入能提高机械性能，抗腐蚀性能和抗辐照性能，因此研究Fe-Cr合金中的alpha;-alpha;的相分解过程，对选择正确的钢材和成分设计非常重要[21]。
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