相場法模擬鈦合金相變

近年來，以計(jì)算材料科學(xué)為基礎(chǔ)，試錯性材料設(shè)計(jì)法正在向理論性材料設(shè)計(jì)法邁進(jìn)，并且已進(jìn)入實(shí)用化的新階段。相場法(phase-field method，以下簡稱PF法)是基于連續(xù)體模型，研究材料組織形成過程現(xiàn)象的一種模擬方法。日本名古屋工業(yè)大學(xué)小山敏幸介紹了PF法的計(jì)算要點(diǎn)，并以鈦合金為對象舉例加以說明。

PF法一般采用場的有序變量來解析不均勻場的時間、空間變化的連續(xù)體模型，即設(shè)定隨著位置以及時間變化的相場有序變量，用這個變量寫出具有復(fù)雜組織的全自由能，從這個能量散逸定義其進(jìn)展方程式，計(jì)算有序變量隨時間和空間變化(即組織形成過程)的方法。有序變量分為物理性守恒變量和非守恒變量，因此，PF法要同時數(shù)值解析守恒場以及非守恒場的非線性進(jìn)展方程式，模擬計(jì)算組織形成的時間進(jìn)程。其中全自由能泛函數(shù)包括化學(xué)自由能，空間不均勻引起的梯度能，彈性應(yīng)變能，外部應(yīng)力場引起的力學(xué)勢能，外部磁場及有關(guān)磁區(qū)組織的能量，外部電場、庫侖相互作用引起的電能等。

用PF法對4種類型的鈦合金組織相變進(jìn)行了模擬計(jì)算:①α(hcp)相的相變，例如Ti-Al合金中從α-Ti(hcp)相析出Ti3Al(D019)相;②γ(hcp)相的相變，例如γ-TiAl(L10)金屬間化合物中析出 Ti3Al5(P4/mbm)相;③β(bcc)相的相變，例如Ti-V-O合金中β(bcc)相的偏聚分解;④α+β兩相組織形成，例如Ti-Al-V合金中從β相析出α相的魏氏組織。用PF法進(jìn)行模擬計(jì)算給出了上述4種類型鈦合金的組織演變圖。研究結(jié)果表明，應(yīng)用PF法在理論上可以有效地解釋鈦合金中的復(fù)雜相變現(xiàn)象。