近年來,以計算材料科學為基礎,試錯性材料設計法正在向理論性材料設計法邁進,并且已進入實用化的新階段。相場法(phasefield method,以下簡稱PF法)是基于連續體模型,研究材料組織形成過程現象的一種模擬方法。日本名古屋工業大學小山敏幸介紹了PF法的計算要點,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、空間變化的連續體模型,即設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雜組織的全自由能,從這個能量散逸定義其進展方程式,計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法要同時數值解析守恒場以及非守恒場的非線性進展方程式,模擬計算組織形成的時間進程。其中全自由能泛函數包括化學自由能,空間不均勻引起的梯度能,彈性應變能,外部應力場引起的力學勢能,外部磁場及有關磁區組織的能量,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
鈦合金組織相變進行了模擬計算:①α(hcp)相的相變,例如Ti-Al合金中從α-Ti(hcp)相析出Ti-3Al(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
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