【摘 要】
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Fe-Cr-Al合金具有良好的耐腐蚀、耐辐照以及抗氧化能力,正在被开发为第四代核反应堆的结构材料,同时还被考虑应用于耐事故燃料包壳。但Fe-Cr基合金在300～500°C范围内长时间时效时,基体相会分离为富Fe的α相和富Cr的α′相,导致合金的脆性增加,严重影响合金的使用寿命和安全性。而时效温度及元素浓度决定α′相的连续分离过程,纳米尺度α′相的微观形貌演化以及连续分离动力学对合金力学性能的预测有
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Fe-Cr-Al合金具有良好的耐腐蚀、耐辐照以及抗氧化能力,正在被开发为第四代核反应堆的结构材料,同时还被考虑应用于耐事故燃料包壳。但Fe-Cr基合金在300～500°C范围内长时间时效时,基体相会分离为富Fe的α相和富Cr的α′相,导致合金的脆性增加,严重影响合金的使用寿命和安全性。而时效温度及元素浓度决定α′相的连续分离过程,纳米尺度α′相的微观形貌演化以及连续分离动力学对合金力学性能的预测有参考价值。本文基于Cahn-Hilliard扩散方程,建立了与Fe-Cr-Al合金成分场相关的相场模型,研究了时效温度、Cr元素浓度以及梯度能对α′相分离的影响,并通过合金显微硬度随时效时间的变化,建立了力学性能和微观组织动力学之间的关系。此外,还结合TEM组织验证了相场模拟所得到的α′相微观形貌的合理性。Al元素会强烈偏聚到α相中,α′相的粗化机制为奥斯瓦尔德熟化和连接粗化。10 at.%Al的加入会抑制Fe-25 at.%Cr合金的硬度增量,但会促进Fe-（30,40）at.%Cr合金的硬度增量。随着时效温度的上升,Fe-38 at.%Cr-10 at.%Al合金中α′相的成分和体积分数变化率、粗化率以及颗粒间距都增大,而颗粒数密度的变化率减小。在720～760 K温度范围内,α′相的主要粗化方式为奥斯瓦尔德熟化。随着Cr元素浓度的升高,α′相的体积分数变化率和粗化率加快,而颗粒间距减小。Fe-（25,30,35）at.%Cr-10 at.%Al合金中α′相的平均颗粒间距由早期的下降转变为长大粗化阶段的上升。此外,α′相平均颗粒半径的时间指数由长大粗化阶段接近0.3转变为后期粗化阶段小于0.3。750 K时效温度下,在Fe-25 at.%Cr-10 at.%Al合金的α/α′相界面处形成贫Cr富Al区域。随着梯度能的增大,Fe-28 at.%Cr-10 at.%Al合金中α′相成分的变化率、α/α′相界面的宽度、颗粒的粗化率以及颗粒数密度的变化率都增大,而体积分数的变化率减小。
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