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匀相转变具有时间、空间尺度小等特点,在转变过程中形成纳米尺度的共格组织,是设计“天然”纳米合金的一种有效手段。匀相转变主要包括调幅分解、有序化、以及两者共存三种形式。由于匀相转变速度快,试验研究较为困难,调幅分解与有序化共存相变动力学过程至今还不清楚。因此,本文建立了耦合均匀弹性能和非均匀弹性能的微观相场动力学模型,并结合试验方法研究了合金调幅分解、有序化、以及两者共存相变动力学和微观机制。 基于经典固溶体理论的二元模型合金研究结果表明:合金最近邻和次近邻原子间有效相互作用能决定合金的匀相转变方式在调幅分解与有序化之间转变,但不能发生调幅分解与有序化共存。当最近邻原子间作用能为负时,发生调幅分解转变;反之,发生有序化转变,与经典固溶体理论一致。若模型中耦合均匀弹性能时,依然不能从根本上改变匀相转变的方式,只是在转变过程中形成各向异性结构。在真实合金匀相转变过程中形成的弹性能,不仅与原子尺寸差异有关,还与浓度分布有关,是一种非均匀的弹性能。当模型中耦合非均匀的弹性能时,合金中发生先失稳有序化后调幅分解的匀相转变,呈现调幅分解与有序化共存。 基于原子嵌入势计算了真实合金的原子间相互作用能,分别对原子尺寸差异不同的真实合金进行模拟研究。对于原子尺寸差异较小的Fe-Mo真实合金模拟研究结果表明:合金成分和弹性能对调幅分解的进程、微观组织形态以及后期的粗化机制都有影响。随着合金中 Mo含量增加,调幅分解进程加速,粗化机制从单一的LSW粗化机制转变为LSW和合并长大的混合机制。考虑弹性能作用后,在时效后期形成所谓“宏观点阵”的结构,在高弹性能作用下粗化过程从以LSW粗化机制和位向控制机制共同作用的混合机制转变为单一位向控制机制。随着时效温度提高,调幅分解的进程加快,形成的富集相的数量增多,富集相的尺寸减小。根据大量模拟结果,确定了不同弹性能作用下的Fe-Mo合金失稳分解曲线,发现文献报道中理论结果过低的估计了弹性能的作用。均匀弹性能对于原子尺寸差异小的合金的微观相场模拟是适用的,模拟结果与文献报道的Fe-20％Mo合金500℃时效5h透射电镜像一致。 对于原子尺寸差异大的Fe-Al真实合金,采用耦合非均匀弹性能的相场动力学模型,模拟研究结果表明:在时效初期以失稳有序化的方式形成单一的B2有序相,随后在有序相内部发生调幅分解形成调幅组织,呈现调幅分解与有序化共存。随着温度升高,相变速率明显增大。当时效温度为T=853K时,在时效后期有序相内的调幅组织出现合并长大现象,出现少量的棒状原子富集相。经过大量不同成分匀相转变过程的模拟研究,确定了调幅分解与有序化共存相变的条件,当合金中铝含量为21%～26时可以发生调幅分解与有序化共存相变,在这个范围之外只发生单一的失稳有序化转变或者调幅分解转变。在调幅分解与有序化共存相变过程中,形成B2和DO3相的反位缺陷FeAl和AlFe,二者都具有负的时间相关性。在时效过程中经历缓慢转变期、原子偏聚期下降、至后期平衡阶段的增加。反位缺陷的变化同时反映了合金匀相转变方式的改变,在时效初期发生失稳有序化转变导致反位缺陷的占位几率降低,在时效后期发生调幅分解转变导致占位几率升高。 Fe-22Al合金实验研究结果表明:在固溶处理过程中发生匀相转变,形成铝原子的富集区和贫集区,在富集区上出现细小的有序畴。在固溶处理后,进行520℃低温时效处理发生α→α+DO3相变。从衍射斑点中发现存在DO3结构有序相的超点阵斑点和B2结构的超点阵斑点,说明合金中存在B2+DO3有序相。随着时效时间的增加,有序畴发生粗化,形成粗大的海绵状有序畴。经过568℃高温时效处理过程后,形成(111) DO3和(100) B2结构的超点阵斑点,说明存在DO3和B2两相。B2结构有序畴是在固溶处理形成的原子富集区原位形成,还有一部分固溶处理过程中形成的B2结构有序畴在时效过程迅速长大。 本课题组前期研究结果表明,Fe-Al合金经过匀相转变热处理后具有一定的压缩塑性。为进一步改善其本质脆性,基于第一性原理计算了微量合金元素对Fe-Al合金力学性质的影响。合金元素原子占位对总能量、晶格常数、形成焓的影响的研究结果表明,合金元素原子占据中心位置时最为稳定。弹性性质的计算结果表明,Cr、Mo、W元素的加入具有显著改善本征脆性的作用。实验结果表明,Mo元素加入后基本保持匀相转变组织并改善其力学性能。Fe-22Al-Mo经过900×0.5 h℃固溶、565×1 h℃时效热处理,压缩强度和屈服强度分别为1534 MPa和783 MPa,压缩率和断面扩张率分别为29%和44%。