Fe-Cu-Mn-Ni-Cr五元合金中富Cu相析出的三维相场模拟与力学性能调控机制

为解决反应堆压力容器(RPV)钢中富Cu相析出导致的辐照脆化问题，研究人员基于Chan-Hilliard和Allen-Cahn方程构建Fe-Cu-Mn-Ni-Cr五元合金的三维相场模型，揭示Mn/Ni含量与时效温度对富Cu相形核-生长-粗化的动力学影响，发现Mn/Ni壳层可抑制富Cu相过度生长并促进bcc→fcc结构转变，为优化合金时效工艺提供理论依据。

　　

在核电站反应堆压力容器(RPV)钢的长期服役过程中，富铜(Cu)相析出与辐照损伤的协同作用会导致材料脆化，直接威胁核设施安全。传统Fe-Cu二元合金研究已证实，纳米级富Cu相通过沉淀强化提升硬度，但过量析出将引发韧性断崖式下降。更棘手的是，工业用钢中锰(Mn)、镍(Ni)等关键元素的添加，使得富Cu相演化过程复杂化——有的研究称Mn/Ni加速析出，有的则认为其抑制生长，甚至对bcc(体心立方)→fcc(面心立方)结构转变的影响也众说纷纭。这种争议源于多组分合金中元素交互作用的非线性特征，以及传统实验手段难以捕捉瞬态微观结构演变。

河南高校的研究团队在《Materials Today Communications》发表的工作，首次将相场法(PFM)应用于Fe-Cu-Mn-Ni-Cr五元体系，通过耦合CALPHAD(计算相图)热力学数据库，构建三维动力学模型，系统解析了多元合金中富Cu相的时空演化规律。研究采用Cahn-Hilliard方程描述成分扩散与Allen-Cahn方程处理结构转变，引入随机噪声项ξ_ci/ξ_η模拟热涨落效应，并基于混合焓ΔH_mix参数量化原子间相互作用。

微结构演化
模拟显示富Cu相初期通过Spinodal分解机制随机分布，Mn/Ni原子优先偏聚于核心区，后期向相界面迁移形成核壳结构。这种Mn/Ni壳层作为缓冲带，能将富Cu相平均半径控制在5nm以内，同时促进bcc→fcc转变。

成分与温度效应
Mn/Ni含量从1.5wt%增至3.5wt%时，富Cu相数密度提升47%，但过度添加会加速粗化；而时效温度从600K升至800K可使析出时间缩短60%，但会导致颗粒尺寸分布变宽。

力学性能关联
基于Russell-Brown模型的强度预测表明，高Mn/Ni含量使峰值屈服强度提升22%，而温度主要影响强度达峰时间而非峰值大小。

这项研究的意义在于：首次通过五元相场模型阐明Mn/Ni的"双刃剑"作用——低浓度时通过界面偏聚抑制粗化，高浓度则增强化学驱动力加速析出；建立时效温度-成分-性能的定量关系图谱，为RPV钢的成分设计提供理论框架；开发的建模方法可扩展至其他多组分合金体系。作者团队特别指出，未来需结合原位实验验证界面偏聚动力学，并考虑辐照缺陷对相变路径的影响。