《超常条件下铁基合金相变机理与组织调控》系统阐述无容器、微重力、深过冷、高温度梯度等超常条件下铁基合金的相变机理与微观组织演变规律，深入解析超常凝固过程中传热传质特征与晶体生长动力学机制，阐明铁基合金制备过程中的相变行为及其力学、腐蚀、磁学性能之间的内在关联，提出超常条件下提升铁基合金应用性能的组织调控方法。《超常条件下铁基合金相变机理与组织调控》内容兼顾实验研究与理论积累，能够为冶金工程、高端制造装备等领域高性能铁基合金材料的研发提供技术借鉴和理论参考。

目录
前言
符号表
第1章 概论 1
1.1 超常凝固条件的建立 1
1.1.1 常规凝固过程 1
1.1.2 超常凝固条件的定义 1
1.2 空间环境重构条件下材料制备 2
1.2.1 空间环境重构技术路线 2
1.2.2 空间环境重构条件下金属材料研究 5
1.3 新型定向凝固技术 8
1.3.1 定向凝固理论基础 8
1.3.2 新型定向凝固技术发展 9
1.4 Fe-Ni基合金的研究现状 11
1.4.1 Fe-Ni基合金的相变机理 11
1.4.2 Fe-Ni基合金的计算模拟方法 12
参考文献 13
第2章 实验、模拟与分析方法 20
2.1 引言 20
2.2 实验方法 20
2.2.1 熔体浸浮 20
2.2.2 电磁悬浮 21
2.2.3 自由落体 21
2.2.4 电磁悬浮-自由落体-液淬/压铸成形 21
2.2.5 定向凝固与其耦合固态相变协控 22
2.3 计算模拟方法 25
2.3.1 形核与枝晶生长理论 25
2.3.2 物理场有限元模拟 26
2.3.3 **性原理计算 29
2.3.4 相图热力学计算 30
2.4 分析表征与性能测试方法 30
2.4.1 相组成与成分分析 30
2.4.2 微观组织与结构分析 30
2.4.3 晶体生长速率测定 31
2.4.4 温度梯度测定 32
2.4.5 应用性能测试 33
2.5 本章小结 35
参考文献 35
第3章 三元Fe-Ni-Cr合金中快速枝晶与共晶生长规律 37
3.1 引言 37
3.2 Fe-14.6Ni-4.4Cr合金中亚稳相形成与溶质分布 38
3.2.1 相组成与近平衡凝固路径 38
3.2.2 电磁悬浮条件下固液界面迁移过程的原位观测 39
3.2.3 电磁悬浮条件下亚稳相形成动力学 42
3.2.4 电磁悬浮条件下(αFe)相的生长取向 43
3.2.5 自由落体条件下枝晶生长及溶质分布 44
3.3 Fe-13Cr-5Ni合金中板条状马氏体的形成过程 49
3.3.1 相组成与近平衡凝固路径 50
3.3.2 电磁悬浮条件下高温亚稳相的形核生长 50
3.3.3 自由落体条件下板条状马氏体的特征演变 53
3.3.4 枝晶生长动力学的理论分析 54
3.4 Cr-43Ni-10Fe合金液滴中快速共晶生长 56
3.4.1 合金的相组成 56
3.4.2 自由落体条件下共晶组织转变 58
3.4.3 自由落体-液淬条件下两相的竞争形核与生长 61
3.4.4 自由下落液滴内的传热特征 63
3.5 Cr-43Ni-10Fe合金的微观组织与耐蚀性能调控 68
3.5.1 电磁悬浮合金的共晶生长动力学 68
3.5.2 空间压铸成形过程中液态合金的多物理场演化过程 70
3.5.3 电磁悬浮-自由落体-压铸成形条件下共晶组织演变规律 76
3.5.4 快速凝固合金的电化学腐蚀性能 79
3.6 本章小结 83
参考文献 84
第4章 快速凝固Fe-Ni-Mo-Cr合金的析出相和双相组织 87
4.1 引言 87
4.2 Fe-13Ni-10Mo-5Cr合金的耐磨性能与多重强化机制 88
4.2.1 合金的热历史过程 88
4.2.2 过冷合金的枝晶生长动力学 89
4.2.3 过冷合金的枝晶间组织演变 91
4.2.4 相的晶体结构与原子排布 92
4.2.5 自由落体合金的快速凝固 95
4.2.6 过冷合金的耐磨机理 95
4.3 电磁悬浮-液淬条件下Fe-20Mo-12Ni-6Cr合金的磁结构与磁性能 101
4.3.1 相变路径与凝固动力学 101
4.3.2 合金的微观组织演变 103
4.3.3 合金的磁畴分布 104
4.3.4 合金的宏观磁性能 105
4.3.5 各相的电子自旋与原子磁矩 108
4.4 Fe-21Cr-12Ni-5Mo合金的相选择与耐蚀机理 111
4.4.1 合金成分设计与相变路径 112
4.4.2 快速凝固合金的(αFe)/(γFe)相选择 115
4.4.3 固液界面迁移动力学与多物理场模拟 117
4.4.4 合金的耐蚀机理 120
4.4.5 相取向与溶质分布对腐蚀行为的影响 123
4.5 本章小结 129
参考文献 131
第5章 过冷Fe-Ni-Mo 基合金的枝晶生长与溶质分布 134
5.1 引言 134
5.2 Fe-5Ni-5Mo-5Ge合金的快速枝晶生长与多溶质截留效应 135
5.2.1 微观组织特征 135
5.2.2 (αFe)枝晶生长 137
5.3 Fe-5Ni-5Mo-5Ge-5Co合金的组织演变和微观力学性能 140
5.3.1 第二相特征 140
5.3.2 快速枝晶生长 142
5.3.3 晶体生长对微观力学性能的影响机制 143
5.4 快速枝晶生长与元素掺杂提升多元Fe 基合金的显微硬度 148
5.4.1 枝晶间的复相组织 148
5.4.2 快速枝晶生长与溶质元素对力学性能的作用 149
5.5 本章小结 151
参考文献 152
第6章 三元Fe-Ni-Ti合金的定向凝固与耦合固态相变双联协控 155
6.1 引言 155
6.2 Ni40.6Fe36.4Ti23合金中三元共晶的定向生长 155
6.2.1 定向凝固组织演化 155
6.2.2 液淬对共晶生长的影响 157
6.2.3 三元共晶的取向关系 158
6.2.4 合金的拉伸性能与断裂机制 160
6.3 Fe66.5Ni17.6Ti15.9包共晶合金的定向凝固组织演变 162
6.3.1 定向凝固组织特征 162
6.3.2 初生(δFe)相的固态相变机制 164
6.3.3 包共晶与两相共晶的形成机理 167
6.3.4 生长速度对凝固组织的影响 171
6.4 Fe66.5Ni17.6Ti15.9包共晶合金的定向凝固与固态相变双联协控 174
6.4.1 双联协控组织演变 174
6.4.2 Fe2Ti析出相分布 175
6.4.3 拉伸性能与强化机制 177
6.5 本章小结 180
参考文献 180
第7章 超常凝固条件下三元Fe-Ni-Ti合金的相变规律 183
7.1 引言 183
7.2 自由落体条件下Ni41Fe40Ti19合金中枝晶与共晶的竞争生长 183
7.2.1 合金液滴的传热与形核动力学 183
7.2.2 微重力凝固组织演变 186
7.2.3 合金的微观力学性能 187
7.2.4 初生(γFe)相的压痕尺寸效应 189
7.3 过冷Ni40.6Fe36.4Ti23合金的快速共晶生长与应用性能 192
7.3.1 相组成与热分析 192
7.3.2 枝晶与共晶生长动力学 194
7.3.3 快速凝固组织演变规律 196
7.3.4 三元共晶的结构特征 200
7.3.5 合金液滴的传热与传质 202
7.3.6 快速凝固合金的服役性能 205
7.4 自由落体条件下Fe66.5Ni17.6Ti15.9合金的包共晶转变机理 210
7.4.1 合金的相组成 210
7.4.2 快速凝固对包共晶转变的抑制作用 212
7.4.3 析出相的结构特征 215
7.4.4 快速凝固合金的抗磨性能 215
7.5 急冷Fe66.5Ni17.6Ti15.9包共晶合金的固态相变调控 217
7.5.1 铜模吸铸的冷却速率 217
7.5.2 合金的微观组织特征 219
7.5.3 初生相的溶质分布与脱溶分解 220
7.5.4 合金的压缩性能 221
7.6 本章小结 222
参考文献 223
第8章 空间环境重构条件下钢铁材料的制备与成形 226
8.1 引言 226
8.2 Ce含量和微重力对13Cr不锈钢制备的作用 227
8.2.1 受Ce含量影响的晶格畸变与夹杂物 227
8.2.2 微重力作用下夹杂物的球化 230
8.2.3 13Cr不锈钢的力学性能 233
8.3 2205双相不锈钢的空间压铸成形 234
8.3.1 双相组织的调控 234
8.3.2 双相组织的取向与织构 237
8.3.3 不锈钢的摩擦磨损性能 240
8.4 本章小结 242
参考文献 243

第1章概论
　　1.1超常凝固条件的建立
　　1.1.1常规凝固过程
　　凝固是一个古老的研究课题，是冶金加工过程中一个关键环节。人类在青铜器时代就掌握了*原始的金属凝固技术。发展至今，凝固过程涉及众多材料加工领域，从半导体晶体、太阳能电池到大型工业铸件，凝固过程都起着关键作用，直接影响材料的*终服役性能。
　　常规凝固通常是指在自然条件下，如常压、重力影响下以及在坩埚或铸型等容器中进行的凝固。常规凝固以**的凝固理论体系为指导，其热力学特征是过冷度.T<0.1Tm，动力学特征是晶体生长速度V约为0.1m/s。常规凝固技术包括平衡凝固、慢速凝固、传统铸造等。平衡凝固和慢速凝固通过缓慢冷却保证原子的充分扩散以达到相平衡，可以制备致密度高、组织稳定性好的金属材料。传统铸造是人类掌握较早的凝固技术，通过液态金属填充铸型获得具有预定形状、尺寸和性能的铸件。常规凝固技术发展至今日臻完善，但面对材料科学迅速发展的迫切需求，其局限性也逐渐显露。例如，常规凝固技术中的容器壁会诱发异质形核或引入杂质，导致铸锭与器壁表面接触处容易出现各种缺陷。平衡凝固和慢速凝固技术对材料组织与性能的调控作用有限，难以制备性能更加优越的新型材料。
　　1.1.2超常凝固条件的定义
　　伴随着工业革命的进行和现代科技的迅猛发展，面向先进材料应用的重大需求，研究者采用非常规手段控制金属的凝固过程，凝固学科前沿朝着材料热力学亚稳或者动力学亚稳方向发展[1-6]，即。具备这种特征的凝固过程称为超常凝固。超常凝固主要由深过冷和急冷这两类凝固技术来实现。深过冷凝固技术使材料熔体处于热力学亚稳状态，从而在慢速冷却条件下实现其快速凝固[7-12]。常用的深过冷凝固技术包括熔体浸浮、无容器处理和自由落体等。无容器环境能够有效避免熔体与容器壁的接触，通过消除容器壁诱发的异质形核实现大体积金属熔体的深过冷和快速凝固。自由落体不仅可以提供无容器环境，还可以产生微重力效应，在此条件下金属熔体内自然对流消失，由表面张力驱动的马兰戈尼(Marangoni)对流作用表现出来，材料的宏观偏析减弱。急冷凝固技术利用快速冷却加快传热，提高液态金属的凝固速率以达到动力学亚稳状态，获取组织细化且均匀的材料，是非晶和粉末材料的主流制备技术[13-17]。常用的急冷凝固技术包括雾化法、单/双辊旋淬法、吸铸和喷铸等。与常规凝固相比，超常凝固后的金属材料在晶体形核生长、相变机制和组织形态等方面均出现一些新现象和新规律。
　　广义上的超常凝固还包括在特殊条件下实现的凝固过程，典型的超常凝固条件包括强物理场、高压、高温度梯度、强辐射、微重力等[18-22]。强电场能够增大熔体的形核率，从而细化晶粒。静磁场产生的热电磁效应影响熔体流动行为。动磁场产生的电磁力可以起到加速搅拌的作用。定向凝固技术也属于超常凝固技术，通过建立特定方向的温度梯度，使凝固朝着热流反方向进行，从而有效控制晶体的生长方向，已广泛应用于发动机叶片和半导体等关键材料的制备[23-27]。为了满足先进材料的制备需求，新型定向凝固技术在传统定向凝固基础上耦合特种条件以达到更好的组织性能调控效果，如微重力定向凝固、高压定向凝固、电磁场定向凝固、定向凝固耦合固态相变调控等。
　　1.2空间环境重构条件下材料制备
　　空间材料科学是材料科学与空间技术相互交叉形成的一个新兴学科领域，主要研究在外层空间环境中各类材料的物理化学性质、相变过程规律、合成制备和加工成形原理，以及各类材料的*终服役性能，如图1-1所示。广义上的空间环境包括太阳系乃至宇宙环境，适用于材料研究的空间环境通常是指绕地球轨道运动的航天器内外环境以及对其产生作用的相关环境[28]。空间环境特征主要包括微重力、无容器、高真空、高温差、强辐射与原子氧等。空间环境的物理化学特征直接影响航天器材料的在轨服役性能和寿命，为研究凝固机理、流动机理、燃烧机理等和研发新材料提供了*特途径，是开展空间材料科学研究的重要条件。
　　1.2.1空间环境重构技术路线
　　利用在轨实验系统开展材料研究的成本非常高，并且实验机会极其有限。为深入探究空间环境对材料制备与加工等的影响，研究者在地面或近地面采用多种空间环境重构技术开展了较为系统的材料实验研究。
　　1)探空火箭、抛物线飞行飞机和高空气球
　　探空火箭、抛物线飞行飞机和高空气球是能够提供短时间微重力环境的航空飞行器，用于在近地空间开展探测与科学实验研究。探空火箭通过惯性飞行可提
　　图1-1空间材料科学研究
　　供数分钟的微重力条件，为空间站长期实验提供了关键验证平台，典型探空火箭以美国ASTROBEE、欧洲空间局MAXUS、德国TEXUS和瑞典MASER等为代表[29，30]。抛物线飞行飞机通过特定的抛物线航迹，可在每个飞行剖面中提供20～30s微重力时间，用于开展载人材料实验研究[31]。高空气球作为运行于平流层的无动力浮空器，其主要优势在于可提供长达一年的超长航时与稳定的临近空间环境，并具有成本低廉、实施灵活、易于回收的特点，因而常被用于特殊材料的长期空间环境暴露、宇宙线辐照效应研究及天文仪器的在轨验证。上述平台在微重力时长、实验成本、操作特性及应用侧重上各具优势，为后续更高成本的轨道实验提供了不可或缺的前期验证与数据支撑。
　　2)落管、落塔与落井
　　落管、落塔与落井是利用自由落体原理在地面模拟空间环境的实验设施，能够为材料科学研究提供高真空、无容器和微重力等关键条件，适用于研究金属熔体深过冷与凝固过程、微重力流体物理以及燃烧特性等科学问题。国外典型设施包括德国应用空间技术与微重力中心(ZARM)的146m落塔，日本微重力中心利用深达710m的落井可获得约10s的微重力持续时间[32，33]。国内相关设施以中国科学院力学研究所的116m落塔和西北工业大学空间材料科学与技术重点实验室3m落管为代表[34]。在微重力条件下，Al-Ag-Ge合金液滴表面富集Ge元素并形成-Ge-层，随着过冷度与冷却速率(简称“冷速”)的提升，合金凝固路径发生转变，凝固组织由枝晶与两相共晶逐步转变为两相共晶，*终形成不规则三元共晶[35]。
　　上述地面模拟装置因实验成本远低于在轨实验，已成为开展空间材料科学研究的有效平台。
　　3)悬浮无容器处理技术
　　悬浮无容器处理技术是空间材料科学研究中的关键技术之一，通过电磁场、静电场、声场等物理场产生的悬浮力来抵消重力以实现材料的稳定悬浮，同时避免了容器壁接触引起的污染，为研究高温熔体热物理性质及其深过冷与快速凝固机制提供了理想条件。典型的悬浮无容器处理技术包括电磁悬浮、静电悬浮、超声悬浮和气动悬浮等。电磁悬浮技术通过交变电磁场在导电样品中感生的涡流实现悬浮，同时伴随的涡流焦耳热可同步完成样品加热，适用于金属等导电材料。Orava等[36]结合电磁悬浮与高能X射线衍射技术，研究了过冷Cu-Zr-Al熔体中CuZr相快速生长动力学，结果如图1-2所示。Mohr等[37]采用电磁悬浮技术，对Ni基高温合金熔体的表面张力、黏度与比热容等热物理性质进行了测定。静电悬浮通过静电场中的库仑力平衡重力，在悬浮过程中实时探测样品位置并主动控制静电场，由于悬浮样品的扰动较小，易于使样品达到深过冷状态[38]。超声悬浮基于高强度声波在驻波场中产生的非线性声辐射压力，可在常压环境中悬浮非金属材料或低熔点合金，且对材料导电性无特殊要求[39]。气动悬浮通过高速气流动量变化产生悬浮力，无需复杂反馈系统，常用于氧化物玻璃等非金属材料的无容器制备[40]。
　　图1-2电磁悬浮条件下Cu47.5Zr47.5Al5合金的高能X射线衍射分析[36]
　　(a)悬浮熔体温度*线与高能X射线衍射花样；(b)X射线衍射图谱
　　4)熔体浸浮技术
　　熔体浸浮技术是一种重要的类无容器处理技术，通过将特定体积的金属熔体浸没在与其不发生反应的熔融态玻璃介质中熔化与凝固，利用熔融态玻璃与样品之间形成的界面吸附作用去除杂质，并通过界面化学反应使异质晶核钝化，从而将样品与坩埚内壁有效隔离，显著消除异质形核的催化作用，为大体积液态金属获得深过冷状态提供了关键条件。在实验过程中通过红外温度仪等设备对熔体温度进行实时测量，同时结合高速摄影技术原位观测熔体的快速凝固过程。在实验过程中，可结合循环过热方法，反复对合金样品循环加热冷却以消除其内部的异质晶核，并进一步提升合金的过冷度[41，42]。熔体浸浮技术已被成功用于研究三元Fe-Co-Cu、Fe-Cu-Ge、Co-Cu-Pb等偏晶合金的快速凝固过程，对揭示相分离机制、枝晶生长动力学以及溶质分布规律起到了重要作用[43-45]。
　　5)集成调制技术
　　电磁悬浮、静电悬浮以及自由落体等技术是实现空间材料研究的重要手段，在上述专一的空间环境重构技术的基础上进行集成调制，耦合各类技术优势创建集成调制空间环境重构技术，通过多种超常凝固效应主动调控合金的组织与应用性能。Koseki等[46]结合电磁悬浮与液淬技术研究了Fe-Cr-Ni合金中的微观组织形成规律，通过改变淬火温度调控合金中BCC相与FCC相的生长形态。Loser等[47]采用铜模急冷方法实现了电磁悬浮Nb-Al合金的快速冷却，发现淬火后合金中*先形成亚稳σ枝晶，随后枝晶间形成非规则共晶组织。作者团队针对空间环境模拟技术集成瓶颈和空间材料制备与成形一体化关键技术难题，在多重无容器处理技术、微重力凝固技术、空间加工成形技术等方面取得了创新突破，创建了全面的空间模拟仿真环境，发明了具有完全*立知识产权的多功能集成式空间材料加工实验方法和新一代空间材料科学地面模拟装置，并应用于钛合金、铁合金、镍合金、超高温难熔合金以及非晶合金等材料的液态热物理性质、空间凝固与加工成形研究[48-55]，为空间材料科学技术发展和新材料研发提供了重要的技术支持与理论参考。
　　1.2.2空间环境重构条件下金属材料研究
　　在空间环境重构条件下，重力导致的沉降、偏析和对流等效应被显著抑制，为深入探索金属熔体物理化学性质、液固相变规律等基础科学问题提供实验条件。下面将系统阐述在空间环境重构条件下，金属材料物理化学性质、相变机理以及服役性能等方面的研究进展。
　　在空间环境下，液态金属由容器壁引起的异质形核被有效抑制，并维持在热力学亚稳态，为研究其在深过冷状态下的液态结构演化及热物理性质提供了条件。
　　同步辐射X射线衍射、X射线吸收谱和中子散射等高能射线衍射分析技术是研究液态金属微观结构的重要方法。上述技术具备高穿透性与分辨率，能够精准表征熔体中的原子排布、短程有序结构及其随温度、成分的动态演变。Kaban等结合电磁悬浮、高速摄影与高能X射线衍射技术研究了Fe60Co25Ni10Mo5与Fe63Co26Ni11合金熔体中亚稳(δFe)相的形核与生长过程，电子背散射衍射(EBSD)分析结果表明，Fe63Co26Ni11合金凝固组织由粗大的等轴晶构成，Fe60Co25Ni10Mo5合金晶粒尺寸显著细化，当过冷度为330K时，凝固组织由板条状马氏体构成，如图1-3所示[56]。Ashcraft等[57]采用静电悬浮与中子散射技术研究了Zr80Pt20合金的液态结构，发现高温熔体内局部团簇配位数的变化是影响熔体黏度的重要因素。借助分子动力学与**性原理计算等方法，在原子/介观尺度揭示液态金属结构演变、热力学性质与凝固动力学，为实验结果提供理论指导。Kreuzer等[58]采用**性原理分子动力学研究了二元Cu-Ti合金的微观结构特征，发现过冷熔体的短程有序性与熔体内Cu原子周围的二十面体结构相关。结合静电悬浮技术对Zr-Nb合金的热物理性质进行了测定，通过实验值修正的势函数对液态合金进行分子动力学模拟，利用沃罗努瓦(Voronoi)多面体分析揭示了液态合金中的局域结构[59]。Süle[60]通过分子动力学模拟与空间分辨原子位移图发现