场变量模型在材料微观结构演化中的应用

采用场变量模型来模拟材料微观结构的演变过程取得了非常大的进展，已成为描述材料微观结构演化的非常成功的模型之一。通过定义一系列高阶可微的保守场和非保守场变量来表述微观组织的空间分布，采用计算机模拟来描述这些场变量的变化路径，从而很好地预测及控制微观组织演化过程。本文详细介绍了场变量模型的基本原理及其在材料科学与工程各领域应用的最新进展。     

微观相场模型及其在合金固态相变中的应用

材料科学与工程领域中,相场法是计算材料学的重要分支。相场法在模拟与预测材料微观组织、形貌演化等方面的作用越来越突出。材料微观组织决定其宏观服役性能。商业合金材料性能的改变与控制,在很大程度上依赖于精细调控固态相变过程以期获得理想的微组织图斑。实验对于合金材料固态相变的分析侧重于结果的观测与讨论,对于相变动力学过程研究较少。基于微观扩散理论的相场模型在原子尺度上研究合金固态相变过程,这显著不同于其它的相场模型。本文系统阐述了微观相场模型在合金固态相变方面的研究思路及研究成果。在此基础上,阐述了当前研究的难点,展望了微观相场在固态相变领域的发展前景,最后特别指出了微观相场在合金相变方面未来的研究方向。     

相场法在材料计算模拟中的应用

本文对相场法的原理以及在材料科学领域中三个主要方面的应用进行了详细的阐述，并对相场法的发展进行了展望。     

相场模型及其在凝固组织模拟中的研究进展

相场法作为一种模拟凝固微观组织的有效方法,是目前研究的热点.对相场模型的基本原理、数值计算方法以及在凝固组织模拟中的研究进展进行了综述,提出了相场模型在微观组织模拟中存在的主要问题以及今后的发展方向.     

材料微结构三维建模及其晶体塑性有限元模拟

采用Voronoi图,生成具有随机晶粒形状的三维多晶集合体模型,并赋予每个晶粒相应的取向。基于率相关晶体塑性理论,开发了用户材料子程序,并将其嵌入有限元软件中模拟面心立方多晶集合体在单轴单向拉伸过程中的应力-应变响应,分析了网格细化及晶粒取向对模拟结果的影响。研究表明,随网格细化应力值有所降低,但变化不大,为保证结果的可靠度,平均每个晶粒离散的单元数目在5个以上;随多晶集合体中晶粒数目的增加,由于取向的随机性产生的应力-应变的差异逐渐减小,模拟时多晶集合体中晶粒的数目大于50个;模型较好的反映了材料的真应力随应变速率增加而增大的规律,且模拟结果和实验结果吻合良好,说明该模型具有较高的可靠性。     

材料微结构三维建模及其晶体塑性有限元模拟

采用Voronoi图,生成具有随机晶粒形状的三维多晶集合体模型,并赋予每个晶粒相应的取向。基于率相关晶体塑性理论,开发了用户材料子程序,并将其嵌入有限元软件中模拟面心立方多晶集合体在单轴单向拉伸过程中的应力-应变响应,分析了网格细化及晶粒取向对模拟结果的影响。研究表明,随网格细化应力值有所降低,但变化不大,为保证结果的可靠度,平均每个晶粒离散的单元数目在5个以上;随多晶集合体中晶粒数目的增加,由于取向的随机性产生的应力-应变的差异逐渐减小,模拟时多晶集合体中晶粒的数目大于50个;模型较好的反映了材料的真应力随应变速率增加而增大的规律,且模拟结果和实验结果吻合良好,说明该模型具有较高的可靠性。     

凝固微观组织晶体相场模型的研究进展

晶体相场模型(phase field crystal model)是一种模拟凝固微观组织的新方法,对这一模型及其应用的研究是近年来国际上的研究热点问题.论述了晶体相场模型原理及其在凝固微观组织数值模拟中的研究现状,并且指明了进一步的研究方向.     

变形合金的亚晶组织演化的相场模型

将多态相场(MSPF)模型与品格畸变模型结合,根据合金的储存能分布,应用于亚晶组织的演化研究.通过构造变形晶粒的初始亚晶组织,计算模拟再结晶过程中亚晶通过合并与吞噬机制进行长大的微观演化过程,系统研究了变形量对亚晶尺寸分布和亚晶长大速率的影响.结果表明,在储存能较高的区域(如晶界附近处),亚晶较细小,分布较密集;再结晶过程中,亚晶密度高的区域最先出现亚晶合并和吞噬现象,并通过该机制使再结晶晶粒形核和长大;而在变形晶粒内部,亚晶分布较均匀且数量密度低,尺寸较大,亚晶合并长大的速率较慢.再结晶晶粒尺寸权重概率分布表明,变形量大的合金,晶粒尺寸较快地变大,完成再结晶的时间较短,而变形量较小的合金,晶粒尺寸变化较慢,再结晶完成的时间较长.亚晶组织演化的模拟结果与实验结果相符.     

合金微结构的微观相场法模拟

基于相场法理论,详细介绍了二元及三元合金体系的微观相场法动力学模型。指出了在微结构模拟研究方面,微观相场动力学模型具有的独特优越性:该模型可基于原子层面研究合金的沉淀机制;获得清晰、直观的原子显微形貌;描绘出合金的有序化、成分簇聚等过程,并能清晰地模拟出三元合金中原子的替代规律。同时,阐述了相场法在二元、三元合金微结构模拟研究中的应用和发展。     

合金微结构的微观相场法模拟

摘 基于相场法理论，详细介绍了二元及三元合金体系的微观相场法动力学模型。指出了在微结构模拟研究方面，微观相场动力学模型具有的独特优越性：该模型可基于原子层面研究合金的沉淀机制：获得清晰、直观的原子显微形貌；描绘出合金的有序化、成分簇聚等过程，并能清晰地模拟出三元合金中原子的替代规律。同时，阐述了相场法在二元、三元合金微结构模拟研究中的应用和发展。     

晶体相场法模拟晶界预熔区液相熔池的演化

预熔是指晶体在低于熔点温度时,晶界处预先出现类似液体而块体仍为晶体状的现象。采用晶体相场法研究原子密度对晶界预熔的影响。结果表明:晶界处液相熔池的早期演化主要涉及4个形态特征:固-固状态→小液滴状态→较大的液相熔池→均质熔融层。通过对比不同平均原子密度下的微观结构和能量变化,表明平均原子密度对液相池的形态特征敏感。二维与三维模拟结果表明,平均原子密度的降低能抑制刃型位错聚集区域中原子的结晶相特征,这有助于液相熔池的形成。从热力学的角度验证平均原子密度与液相熔池宽度之间的关系,在一定程度上为后续施加高温应变提供前提条件。     

HCP材料强界面能各向异性的相场模型

基于Karma模型和Eggleston修正强界面能各向异性的方法,建立HCP材料的强界面能各向异性相场模型。采用有限差分法对控制方程进行数值求解,模拟研究HCP材料的枝晶生长行为。结果表明：枝晶形貌呈现出明显的六重对称性,界面方向不连续,导致在主枝和侧枝的尖端出现棱角。当界面能的各向异性强度低于临界值（1/35）时,枝晶尖端稳态生长速度随着各向异性强度的增加而增加;当界面能各向异性强度值超过临界值时,尖端稳态生长速度降低0.89%;当进一步增加各向异性强度值时,尖端稳态速度增加且在各向异性强度值为0.04时达到极大值,随后减小。     

双模晶体相场研究六方四方相变过程晶界和位错演化

对于晶粒,晶界,应力和位错的交互作用的深入理解有助于优化材料组织和提升材料性能。本文采用双模晶体相场法研究六方相向正方相的转变。分别针对倾侧角为0°,15°,30°,和 45°,晶粒取向差为6°的六方相体系做了系统研究。六方晶粒长大、溶合、并形成共格晶界,位错组沿六方晶界均匀分布,并有两种取向。正方相在位错组处形核,并且其取向取决于位错组取向。每一种倾侧角的体系种均形成两个取向正方相的变体。针对倾侧角为0 °,15°,30°,和 45°的六方相体系生成的四方相相变体之间的取向差分别为30°, 30°, 10°, 和5°。不同取向的正方相晶粒长大熟化的方式有差异,位于有利取向的晶粒将会优先生长占据主导地位。以共格晶界形式长大的晶粒,晶界处有位错组生成以松弛晶粒长大的应力集中。     

晶体相场法模拟纳米晶体的单向拉伸变形

通过籽晶法控制晶体取向,研究了双晶镍基高温合金AM3胞状枝晶界面定向凝固过程中的双晶竞争生长.结果表明,两籽晶<001>取向的相对位置对晶粒竞争生长有很大的影响.双晶<001>取向在不同平面时,晶粒竞争生长的主要方式是通过物理阻挡,在晶界处处于阻挡优势的晶粒在竞争生长中胜出.对双晶的<001>取向在同一平面时,两籽晶以大角度背离发散生长时,在双晶的发散区容易生成杂晶.     

基于晶体相场模型二元合金凝固过程的晶粒形貌模拟

基于相场模型研究了二元合金在不同过冷速率下的晶粒形貌演化。结果表明,形核数量随着冷却速率的提高而不断提高,晶粒尺寸随着冷却速率的增加而降低。当冷却速率达到某个极限值时,晶界迁移速率明显变慢,凝固组织粗化现象受到抑制。     

晶体相场模拟晶界预熔及熔化

利用晶体相场模拟晶界的预熔以及熔化现象,研究不同取向差角度时,预熔及熔化的微观组织形貌,并且采用过剩质量方法定量计算预熔及熔化时晶界处液相薄膜宽度.研究表明,在接近熔点时,晶界处预先出现一层液相薄膜,液相膜的形态与晶界处的取向差角度有关.当取向差角为大角晶界时,液相膜沿晶界均匀稳定分布;当取向差角为小角晶界时,若干由液相区包围的独立位错均匀分布在晶界处,随着温度逐渐接近熔点,晶界处发生结构转变:独立位错两两合并,原来小的液相区也相应合并成为较大的"液相池".这种结构转变不仅出现在预熔时,而且发生在过热状态下,在液相宽度曲线图上表现为宽度"跳跃"性增大.同时,晶体相场模型计算得到的临界润湿角θ_c为12°,较Read-Shockley理论所得的数值更接近实际结果.     

Ni-Al-V合金中异相界面成分及其演化的微观相场模拟

基于微观相场模型模拟Ni-Al-V合金沉淀过程,研究合金中有序无序界面和异相间有序畴界的成分及其演化。研究表明,合金元素的偏聚和贫化与界面类型有关。在DO22相与无序相间的有序无序界面处,Ni和Al偏聚,V贫化;在L12相与无序相间的有序无序界面处,Ni和Al贫化,V偏聚;在异相间有序畴界处,V在界面的DO22相一侧贫化,在界面的L12相一侧偏聚;Al则在界面的DO22相一侧偏聚,在界面的L12相一侧贫化。Ni的成分分布与界面的形成方式有关。随着时间的进行,界面处合金元素的成分分布变得更加明锐,但合金元素的偏聚和贫化倾向不变。     

相场法模拟凝固微观组织演化研究进展

相场法是凝固组织模拟中最有潜力的方法之一,近年来已成为凝固领域研究的热点.本文论述了相场法模拟凝固微观组织的原理,并分别介绍了无流动和流动条件下相场法模拟自由枝晶、定向凝固界面及小平面枝晶在国内外的研究进展,指出了进一步的研究方向.     

微观结构演化过程中连续相场模型的应用

相场法作为一种强大的计算模拟方法已广泛应用于模拟和预测材料介观形态及微观结构的演化。模型中采用一系列在界面处连续变化的保守及非保守场变量构造的自由能函数来描述材料的微观结构,场变量在时间和空间上的演化分别遵循Cahn-Hilliard的非线性扩散方程和Allen-Cahn弛豫方程。本文介绍了连续相场法及其应用,还有常用的两种不同动力学数值解法,以及几种常见的相场模型。     

相场横型原理及其在晶粒长大模拟中的研究进展

晶粒长大是多晶体材料中最基本的显微组织演化过程之一,对其进行研究具有非常明确的理论和实践意义。而相场法作为一种模拟晶粒长大的有效方法,是目前国内外研究的热点。对相场模型的基本原理、数值计算方法以及在晶粒长大模拟中的研究进展进行了综述,提出了相场模型在微观组织模拟中存在的主要问题以及今后的发展方向。