摘要:采用相场模拟对块体TiNb二元合金中的核-壳结构进行了设计和研究，通过精确控制TiNb合金体系中调幅分解过程的初始和边界条件，以获得不同的核-壳结构，并揭示了核-壳结构的形成机理。此外，研究了体系初始温度梯度、平均温度和初始浓度分布对核-壳结构的影响。结果表明，初始浓度梯度是形成核-壳结构的关键因素。此外，较大的初始温度梯度和较高的平均温度能促使核-壳结构的形成，并可通过调节TiNb合金中富铌区的初始浓度分布来稳定核-壳结构。作为理论基础，本研究为制备具有特殊核-壳结构和理想力学与物理性能的TiNb基合金以及其它材料提供了一种新颖且简单的策略。

摘要:结合相场方法和移动边界方法，对不同沉积速率和晶粒取向下物理气相沉积Ti薄膜的生长和晶粒演化进行了三维相场模拟，同时考虑了其形貌和晶粒取向的演化。模拟结果表明：在较低沉积速率下形成的Ti薄膜表面存在明显取向的纹理结构，Ti薄膜表面粗糙度与晶粒取向差呈正相关；同时，模拟获得的表面粗糙度与实验结果吻合较好。

摘要:以多向锻造温度为自变量，采用双模晶体相场模型，研究了不同温度下的形核模式、反应机制及晶界-位错相互作用。结果表明：建立了工艺参数与晶粒细化/粗化的映射关系，确定最优加工温度系数为0.23。相较于0.19、0.20、0.21、0.25及0.27等加工温度系数条件下，细化效果分别提升256.0%、146.0%、113.0%、6.7%和52.4%。温度过高会因位错湮灭导致晶粒粗化；施加应变会降低材料实际熔点。即使加工温度未超过理论熔点，仍可能发生熔化与重结晶，引发过烧现象——该现象在减少内部缺陷的同时会导致晶粒整体粗化。本研究对实际锻造工艺设计具有重要指导意义。

摘要:通过多物理场方法来量化工艺参数（激光功率、扫描速度、扫描间距和扫描策略）的变化对Ti-25Nb（原子分数）合金激光选区熔化（SLM）双道扫描过程的热历史以及相应的显微组织演变的影响。模拟结果表明，在双道扫描下，提高激光功率会形成更大的热积累，从而导致重熔时熔池体积增大和晶粒变粗。降低扫描速度会增强重熔，并促进熔池顶部的胞状晶生长，而更快的扫描速度会产生更粗糙的熔体轨迹和更细小的晶粒。扫描间距显著影响熔池尺寸和显微组织形态，较小的扫描间距有助于重熔。此外，采用往复式扫描时，第二熔道中晶粒的取向与第一熔道中的取向明显不同。更重要的是，与第一道次扫描相比，第二道次扫描后重熔熔池边界处的温度梯度和冷却速率都降低了，导致界面速度降低，凝固微观结构发生了显著变化。本研究为非平衡凝固组织调控提供了理论基础，并为钛合金的SLM工艺参数优化提供了新的见解。

摘要:将梯度结构引入金属叠层靶板，通过有限元仿真对梯度结构与均匀层厚靶板进行抗侵彻模拟对比，并通过冲击实验验证分析。结果表明，梯度结构前端的高层厚及合适的Ti合金占比为子弹带来更大的冲击阻力，使弹头镦粗破损加剧，提升抗侵彻性能。此外，在冲击过程中，应力以波的形式在靶板各层透射和反射，压缩波与拉伸波相互作用使靶板产生非协同形变并导致分层。梯度靶板凭借更高的能量吸收率，消耗了子弹更多的动能，使得抗侵彻性能更进一步。本研究为梯度结构在金属叠层装甲中的应用提供了理论依据。

摘要:钚镓（Pu-Ga）合金是一种重要的核材料，氦泡形核生长严重影响其微观组织演变和力学性能变化。本工作建立了室温时效条件下Pu-Ga合金中氦泡形成演化的相场模型，分析了不同时效时间和温度下的氦气泡的形貌演变规律，根据相场模拟结果统计了氦气泡的平均直径和数密度的变化曲线。研究发现，室温时效下气泡的尺寸和位置几乎不会发生变化，而气泡数密度呈直线增长，模拟结果与公开发表的实验结果符合较好。分析发现，时效温度主要通过影响点缺陷的迁移率，从而影响气泡生长速率，而室温时扩散系数非常低是导致室温下Pu-Ga合金中氦泡尺寸和数密度特殊演化趋势的主要原因。本工作为准确预测Pu-Ga合金中氦泡生长行为提供了介观尺度理论模型。

摘要:采用优化加速的多相场模型，研究了存储能大小及分布方式对合金组织晶粒长大的影响。结果表明，模型实现并加速了较多的结构场变量组织演化，合金存储能升高，加快合金晶粒长大演化，平均晶粒尺寸增大，组织演化前中期高存储能晶粒降低组织中局域区域的晶粒尺寸均匀性；存储能分布非均匀性增加，可加速组织前中期存储能释放进程，获得较大尺寸晶粒，后期获得较小且更均匀的晶粒尺寸。本研究可为合金微观集成计算提供多晶几何模型，为高温变形后晶粒长大尺寸精细参数变化分析提供理论基础。

摘要:本研究基于相场方法构建了两相复合燃料烧结末期晶粒长大过程的数值模型，并系统模拟了UO₂-UN复合燃料体系的晶粒演化行为。首先，通过建立双晶粒夹持空洞的简化模型，揭示了晶界与空洞的交互作用机制。研究表明：晶界附近空洞呈现收缩动力学特征并形成透镜状形貌，且与高界面能晶粒接触的空洞收缩速率显著提升；体系的三重界面角由两相晶界能与界面能的比值决定。其次，针对两相多晶体系的晶粒长大过程进行定量分析，相体积分数影响研究表明：相界面对晶粒迁移具有显著制约作用，随着第二相体积分数增加，相界面密度增大导致晶粒生长速率衰减。最后，构建两相多晶含空洞体系晶粒长大模型，对空洞产生的钉扎效应进行研究并阐明烧结末期的生长动力学机制，空洞钉扎效应研究表明：空洞对晶界产生钉扎作用，其钉扎强度与孔隙密度呈正相关，且局部空洞分布的非均匀性将诱发异常晶粒生长现象，三维空洞钉扎分析显示：复杂的晶粒拓扑结构强化了空洞的钉扎效应，使得异常晶粒生长在三维体系中呈现更显著的形貌特征。

摘要:U-Nb合金的双相区分解随着成分、时效温度和保温时间而展现出丰富的微观组织变化。为了深入研究U-Nb合金复杂相分解行为的物理机制，开展了较为系统的相场模拟研究。结果表明，连续析出和不连续析出可能具有相同的热力学条件，当体扩散受到抑制而界面扩散起主导作用时，相分解更倾向于不连续析出。推测U-5Nb合金和U-13Nb合金连续析出产物的明显差异是由不同相变机制导致，U-5Nb合金发生典型的连续析出，而U-13Nb合金先在γ相内发生互溶间隙分解，然后形成α相析出物。γ相在中间Nb含量区间的自由能关系对是否发生互溶间隙分解以及不连续析出组织中富Nb相的成分具有重要影响。

摘要:为实现工业合金凝固过程中微观组织演化的定量模拟，本研究将多元合金等温凝固的单边扩散定量相场模型扩展为双边扩散模型，并与合金实际的热力学和动力学数据进行耦合，以充分考虑多组元合金成分之间的相互作用。在消除界面化学势跳跃的基础上，重新确定了双边扩散定量相场模型中的反溶质截留系数A_i和相场迁移率M。结果表明：以Ti-45Al- 8Nb（at%）三元合金为例，进行了一维（1D）和二维（2D）数值模拟，并与实验结果进行对比，验证了所建立模型在合金凝固过程中对微观组织预测的有效性。研究结果为进一步优化工业合金的铸造工艺和凝固组织的精准调控提供了理论支撑。

摘要:在合金凝固过程中，熔体流动会显著改变枝晶生长的热动力学，从而影响构件的微观组织和力学性能。本工作建立了强迫对流作用下Mg-9.0wt%Al-1.0wt%Zn合金α-Mg枝晶生长的相场-格子Boltzmann耦合模型，主要研究了熔体对流对α-Mg枝晶生长的影响。结果表明，熔体对流会导致枝晶生长的不对称形态，上游的枝晶生长速率大于下游，且流速越大枝晶的不对称形态越显著。通过对不同流速方向的模拟，发现枝晶臂长度会随流速方向与水平方向夹角的增大而增大，而溶质富集层厚度则会随夹角的增大而减小，当夹角为90°时，枝晶臂受到剪切力最大，偏转角度也最大。此外，三维模拟结果证实，强迫对流作用下α-Mg枝晶的不对称生长行为在三维模拟中同样存在，表现为下游溶质富集程度更大，而凝固潜热主要集中在上游。

摘要:利用多元定量相场建模，研究了添加Al对Mg-3wt%Y-1wt%Zn合金凝固行为的影响，重点分析了α-Mg枝晶的生长动力学、溶质偏析及二次枝晶臂间距的调控机制。结果表明，Al的加入显著抑制α-Mg枝晶的生长速率，降低了固相分数增长速度。同时，Al添加有效缓解了Zn的微观偏析，使Zn的偏析度大幅降低，但对Y的偏析影响较小。此外，Al通过降低液相线温度、抑制溶质扩散及减小固/液界面能，促进了二次枝晶臂的细化。成分过冷理论分析表明，高Al含量加剧溶质富集，导致更大的过冷度，从而影响枝晶形核与生长。本研究有助于深入理解如何优化Mg-Y-Zn-Al合金的凝固组织、改善力学性能及耐蚀性能。

摘要:采用晶体相场法，研究了双晶系统在动态拉伸条件下，不同取向角度对纳米双晶体系中微裂纹扩展机制的影响。结果表明，相同拉伸条件下，裂纹扩展方式、裂纹体积分数、裂纹扩展速率与晶粒取向相关。同取向差裂纹扩展机制差异取决于裂纹尖端附近的位错活动，位于裂纹尖端的单个位错，易会导致裂纹发生脆性扩展，加快裂纹扩展速率；裂纹尖端多个方向不同的位错可能会发生位错缠结，进而阻碍裂纹扩展。

摘要:随着航空工业的快速发展，高温合金和钛基合金作为航空发动机及机体结构的核心材料，其微观组织调控与性能优化已成为保障装备可靠性的关键。力学耦合相场模型作为一种有效的材料微观组织演变模拟工具，能够衔接微观力学准则、介观组织模拟及宏观性能预测，揭示材料在热-力耦合场中微观组织演化与材料力学性能之间的内在联系，为航空材料的微观组织调控及性能评估提供了理论支撑。本文系统评述了力学耦合相场模型在高温合金与钛基合金等典型航空材料领域的研究进展，梳理了该模型在固态相变机理研究中的典型应用案例，内容涵盖了从弹性、弹塑性到考虑缺陷耦合作用的相场模型在高温合金中γ'相析出及筏化组织形成、钛基合金中典型析出相演变规律等方面的应用。同时，讨论了当前研究中面临的挑战，并展望了力学耦合相场模型在航空材料研究中的发展前景，最后特别指出了这类相场模型的热点问题及其未来发展方向。

摘要:随着电子器件不断向着微型化、集成化和多功能化方向快速发展，芯片封装的复杂性显著提升，封装密度不断增加，焊点尺寸逐渐缩小，电子器件在服役过程中的工作环境愈加严苛，微互连焊点可靠性问题日益突出，焊点失效已成为限制电子封装技术进一步发展的关键瓶颈之一。本文围绕微互连焊点的失效行为，梳理了电子封装中常见的几类可靠性问题，根据选择的相场变量的不同，总结几种常见的相场模拟模型。针对几种常见的可靠性失效模式，如电迁移、硅通孔技术、界面金属间化合物生长等，分析了相场方法在模拟这些失效过程中的应用与发展现状。最后，文章对相场模型在微观失效机制研究中的潜力进行了展望，并探讨其在多物理场耦合、数据驱动建模与工程应用方面的发展趋势。本文旨在为研究微互连焊点失效行为的理论分析和工程实践提供系统参考和方法支持。

摘要:金属增材制造因其逐点逐层成型的特性，可以高效精确成型传统材料生产工艺难以制造的复杂结构零部件。但金属材料增材制造过程温度梯度大、冷却速率快，为强烈非平衡过程，导致其凝固微观组织出现裂纹，进而影响材料力学性能。因此，对金属增材制造过程凝固微观结构的控制是进行高性能材料设计的核心。凝固微结构选择图谱是以成分/工艺参数为横纵坐标，建立成分/工艺参数-凝固微结构映射关系的有力工具，能够预测和调控金属材料增材制造过程的凝固微结构。本文详细总结了当前凝固微结构选择图谱的种类，归纳了其构建方法，并详细综述了近年来不同种类凝固微结构选择图谱在金属增材制造过程中的应用。最后对凝固微结构选择图谱在新种类、创新构建方法及潜在应用价值上进行了展望。

摘要:前处理模块是铸造数值模拟软件的核心组成部分，直接影响模拟的准确性与效率。本文对铸造模拟软件前处理技术进行了全面综述，重点聚焦于几何建模、参数设置及核心的网格剖分技术。系统阐述了六面体网格、四面体网格及混合网格剖分方法的原理与发展历程，并分析了各类算法在处理复杂铸件时的优劣势。最后，指出了当前铸造软件前处理模块面临的关键挑战，并对其未来的发展趋势进行了展望。

摘要:研究了Ti元素对NbTaMoWTi_x (x=0, 1, 1.5, 2) 难熔高熵合金铸造态和退火态组织和力学性能的影响。结果表明：加入Ti后，铸造态合金仍然保持原有的体心立方（bcc）结构；力学性能方面，对比未加入Ti元素的NbTaMoW合金，强度和塑性分别提高了93%和215%。NbTaMoWTi_x合金表现出优异的热稳定性。在经过1400 ℃退火处理后，仍然可以保持bcc单相结构，力学性能甚至略有提升。然而，高Ti含量合金（NbTaMoWTi_1.5与NbTaMoWTi₂）经过退火处理后，由于富Ti针状相的出现，力学性能明显下降。

摘要:采用室温4道次等径弯曲通道变形+旋锻制备超细晶纯钛，利用Instron型电液伺服疲劳试验机在室温下分别对粗晶和超细晶纯钛进行应变控制的低周疲劳试验，应变幅范围为0.5%~1.1%。通过透射电子显微镜和扫描电子显微镜研究超细晶纯钛疲劳变形后的组织和断口形貌。结果表明：与粗晶纯钛相比较，超细晶纯钛具有更高的低周疲劳寿命，例如在总应变幅为0.5%时，超细晶和粗晶纯钛的疲劳寿命分别为10 850和4820周次。除总应变幅为0.5%外，超细晶纯钛在疲劳变形过程中表现出显著的循环软化现象。随着总应变幅的增大，疲劳滞后回线所包含的面积增大。断口形貌显示疲劳裂纹萌生于试样表面，疲劳扩展区存在大量疲劳辉纹和微裂纹，随着应变幅的增加，疲劳断裂模式由韧性断裂转变为准解理断裂。超细晶纯钛低周疲劳变形机理为位错滑移。

摘要:通过同步介观数字图像相关（DIC）与电子背散射衍射（EBSD）原位表征技术，研究了GH4169高温合金在室温单轴拉伸下的变形行为。结果表明：在晶粒偏转动力学方面，基于自主研发M-DIC软件量化分析发现，在单轴拉伸时，沿拉伸轴水平方向呈双向旋转，在1100 MPa应力水平下，能够得到±0.6°的震荡偏转角，并在应力轴45°方向上萌生出晶界微孔。EBSD晶体学分析揭示了载荷依赖性滑移演变规律：在初始阶段，具有高施密德因子（>0.4）的软取向滑移系被激活，随后在滑移过程中转变为硬取向滑移系，在晶内形成平行滑移带，晶界出现位错塞积。单轴拉伸过程出现应变能累积特征，为双阶段积累模式：初期以晶界局部化为主，随后发展为晶内扩展，最终在大角度晶界处萌生裂纹，其中孪晶界展现出优于大角度晶界的力学稳定性。变形织构特征为铜型织构组分C｛112｝<11>、 S｛123｝<63>和B｛110｝<10>。完整变形链如下：软取向滑移系滑移→位错滑移启动→晶粒旋转主导应变分配→晶间应力集中→晶界开裂主导破坏。本研究揭示的跨尺度变形机制为晶界工程优化镍基高温合金提供了关键理论依据。

摘要:根据经典形核理论，构建了Zr₆₁Ti₂Cu₂₅Al₁₂合金的时间-温度-转变（TTT）曲线，由此估算并修正得出其临界冷却速率 R_c≈63 K/s，应用玻璃形成能力准则对其可靠性进行评估，阐述了形核率I和生长速率U在不同过冷液相区内对晶化机制的控制。采用快速扫描量热与常规热分析相结合对Zr₆₁Ti₂Cu₂₅Al₁₂非晶合金实现6个数量级（10^-2~10⁴ K/s）升温速率变化，从而展现出在超宽范围内过冷液体依赖于升温速率的动力学行为：首先，升温速率与特征温度之间的依赖关系符合Vogel-Fulcher-Tammann方程；其次，脆性系数（m=30~41）的小幅变化意味着其过冷液体结构随温度变化比较平缓，从而展现出具有一定的“强”液体行为，使得该合金具有一定的玻璃形成能力。本研究为Zr₆₁Ti₂Cu₂₅Al₁₂非晶合金的制备，尤其是过冷液相区内的塑性成形以及热处理工艺制定提供了技术指导和理论依据。

摘要:通过高分辨透射电子显微镜和扫描电子显微镜对DZ411合金在950 ℃/190 MPa的蠕变行为进行了研究，解释了蠕变过程中γ′相的变形机制与应变速率之间的联系。在不同蠕变时间下，元素的定向扩散导致合金形成筏状组织，由于筏化的γ′相的长度得到了极大的延伸，其对位错的阻碍作用大大增强。因此在蠕变前期，γ′相未筏化之前，合金的应变速率较高，总应变量为0.31%，应变速率为2.78×10^–7 s^–1；当γ′相的筏化过程逐渐进行，对位错的阻碍作用也随之增大，合金便进入了稳态蠕变阶段，应变速率大大降低，总应变量为2.35%，应变速率为2.17×10^–8 s^–1；但是当合金应力积累到一定程度，位错便会以攀移的形式切入γ′相。大量位错切入γ′相，对筏化组织的连续性产生了不利影响，使得γ′相有效长度下降，对位错的阻碍作用也产生了极大的弱化，合金便进入了失稳状态，加速了蠕变过程，并最终导致合金的断裂，总应变量为17.05%，应变速率为2.22×10^–7 s^–1。

摘要:为进一步提高金属钨工件在高能辐照、电弧烧蚀等工况下的使用寿命，有必要对钨进行表面纳米化处理，提高表层材料的抗疲劳、耐辐照等性能。然而，由于钨的高熔点和高硬度，使其表层材料发生塑性变形或局部熔化十分困难。本工作以纯钨板为原料，对其施加10 MPa压力，在真空中将其加热至900 ℃并保温3 h，采用压力热处理工艺对钨板进行表面纳米化处理。结果显示处理后，在钨板表面形成了厚度2~4 μm的纳米晶层，晶层厚度均匀。纳米晶粒呈等轴状，平均晶粒尺寸普遍小于300 nm。钨板内部依然保持为粗晶组织，表面纳米晶层与基体粗晶组织之间结合牢固，无明显界面。本工作有望为钨等难熔金属表面纳米化探索一种更加高效便捷的技术路径，具有重要的理论意义和实际应用价值。

摘要:钛/钢异种金属结构件在多个领域具有巨大的应用前景，本工作采用激光熔覆钒（V）过渡层的方法辅助钛合金Ti-4Al-2V与不锈钢06Cr18Ni11Ti激光组对焊接，获得了组织性能优异的钛/钢异种金属接头。以高纯钒（V）粉作为过渡金属材料，采用激光熔覆设备在4 mm厚度钛合金Ti-4Al-2V端面，以多层多道熔覆工艺制备一定厚度的V过渡层，并对过渡层中的化学成分、组织形貌及残余应力进行分析；随后将该V熔覆试样与06Cr18Ni11Ti不锈钢进行激光对接焊，对钛合金+V过渡层+激光焊缝+不锈钢焊接接头的宏观形貌、微观组织、力学性能（高温及室温抗拉强度、冲击韧性）、断口形貌及接头硬度等进行表征。结果表明：在钛合金上激光熔覆V过渡层，当V层厚度≥6.8 mm时熔覆金属近表面V含量约为98wt%，Ti含量降至0.18wt%~0.22wt%；上述钛/钢焊接接头的室温抗拉强度均值为537.3 MPa，高温抗拉强度（350 ℃）均值为 426.3 MPa，且室温拉伸试样断裂在V熔覆层上，冲击韧性均值分别为38.2 J/cm²（焊缝中心）、102.6 J/cm²（热影响区-临近V熔覆层一侧），167.6 J/cm²（热影响区-临近不锈钢一侧）；对拉伸试样断口进行SEM分析，断口形貌显示韧窝占主要部分，局部区域存在韧窝+解理或准解理的混合断裂特征，说明韧性与脆性断裂同时存在，以韧性断裂为主。

摘要:高温合金作为涡轮叶片、燃烧室和涡轮盘等热端部件的关键材料，因其在高温环境下的优异性能，广泛应用于航空、航天和能源等领域。然而，在实际生产中，控制高温合金的微观组织仍是一大挑战。径向锻造技术凭借其高效率、高材料利用率以及显著改善锻件微观结构的优势，在高温合金材料生产中展现出巨大潜力。径向锻造通过多锤头和高频锻打，实现对坯料的均匀变形，提高锻件的力学性能和内部致密性。本文系统阐述了径向锻造设备的驱动原理及关键工艺参数对生产过程的影响，分析了高温合金在多道次高频锻打下的组织演化机制与晶粒长大规律，对比了不同锻透性模型的适用性，并总结了应力-应变本构模型以及组织演化模型在有限元模拟中的研究现状，指出多物理场耦合的高精度模拟与智能化工艺设计是未来的核心发展方向。

摘要:空间核反应堆结构材料需经受高温、高通量中子辐照等极端服役环境的考验，其性能极大程度地影响着反应堆运行的安全性与经济性。本文聚焦于空间核反应堆用Mo-Re合金的辐照损伤行为，系统综述了辐照损伤效应、辐照引起的微观结构演变和服役性能退化，为Mo-Re合金作为反应堆材料的组织结构优化、性能预测和服役寿命评价提供理论基础。