相場法是在計算材料學(xué)中發(fā)展最快的一種強大的計算方法,以基本的熱力學(xué)和動力學(xué)為輸入,可用于模擬和預(yù)測材料的介觀尺度形貌和微觀結(jié)構(gòu)的演變。首先總結(jié)了相場模型的歷史發(fā)展、物理基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)表達及其數(shù)值求解,其次分析了相場法在純物質(zhì)、二元合金、多組分系統(tǒng)以及定向凝固、增材制造等領(lǐng)域中的應(yīng)用情況,最后對相場法進行了總結(jié)及展望,并指出相場法發(fā)展應(yīng)趨向于超大尺度相場模擬技術(shù),更高效算法的開發(fā),相場模型與熱力學(xué)、動力學(xué)數(shù)據(jù)庫的結(jié)合,工業(yè)應(yīng)用的探索以及與實驗觀察技術(shù)的進一步結(jié)合。 

【文章來源】：鋼鐵研究學(xué)報. 2020,32(10)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：13 頁

【部分圖文】：

等溫條件下從高度過飽和的二元熔體中

通常對于材料建模有2種觀點:宏觀和微觀。純物質(zhì)凝固過程相變的宏觀描述可以追溯到19世紀(jì)的Stefan。系統(tǒng)的基本方程式稱為尖銳界面模型或Stefan模型[44-46]:對于無量綱的溫度場u=(T-T∞)/(L/cp),其中u為無量綱溫度;T為局部溫度;T∞為遠場溫度;L為熔化潛熱;cp為定壓比熱容。其擴散方程為:?u ?t =D? 2 u?????? ??? (1)

對微觀結(jié)構(gòu)建模的擴散界面方法具有大尺度分離的特點,相邊界的厚度在納米級,而微觀結(jié)構(gòu)的特征通常在微米甚至毫米的尺度上才能觀察到,因此通常要解決跨越幾個數(shù)量級的問題。此外,由于相場和擴散場的變化通常在界面區(qū)域上,這促進了能夠跟蹤相邊界遷移的自適應(yīng)網(wǎng)格的發(fā)展。Provatas等[62]提出了在二維自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上樹枝晶生長的有限元解決方法,在其自適應(yīng)代碼中,實現(xiàn)了動態(tài)四叉樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Tonhardt和Amberg[63-65]使用自適應(yīng)三角網(wǎng)格上的有限元方法研究了對流對樹枝晶生長的影響,該代碼也被用于模擬二元合金的樹枝狀凝固[61]。Braun和Murray[66]使用一般的自適應(yīng)有限差分技術(shù)耦合相場模型進行了計算。Lan等[67-68]展示了有限體積方法在自適應(yīng)四邊形網(wǎng)格上進行二維模擬樹枝晶生長的潛力。Do-Quang等[69]進行了二維和三維自適應(yīng)有限元代碼的并行化。Greenwood等[70]介紹了一種新的三維MPI并行自適應(yīng)網(wǎng)格算法,并用其對微觀結(jié)構(gòu)形成的自由邊界問題進行了研究。Guo等[71-75]也針對不同的研究問題,利用了并行自適應(yīng)網(wǎng)格算法來求解三維相場方程。此外,Chen和Shen[76]提出使用半隱式傅立葉譜方法來計算以遠程彈性相互作用為主導(dǎo)的系統(tǒng)的演化。Shimokawabe等[77]利用TSUBAME 2.0超級計算機,在超大規(guī)模下采用新的模擬技術(shù)對二元合金的復(fù)雜樹枝晶生長進行了模擬,實際模擬結(jié)果可見圖2。(3)相場建模的軟件框架:

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Study on Dendritic Growth in Pressurized Solidification of Mg–Al Alloy Using Phase Field Simulation[J]. Haowei Pan,Zhiqiang Han,Baicheng Liu.  Journal of Materials Science & Technology. 2016(01)
[2]Numerical simulation of recalescence of 3-dimensional isothermal solidification for binary alloy using phase-field approach[J]. 朱昌盛,肖榮振,王智平,馮力.  Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2009(05)
[3]相場法模擬多元合金過冷熔體中的枝晶生長[J]. 龍文元,蔡啟舟,魏伯康,陳立亮.  物理學(xué)報. 2006(03)
[4]鑄造合金凝固組織的計算機模擬與預(yù)測[J]. 許慶彥,柳百成.  稀有金屬材料與工程. 2003(06)
[5]用相場方法模擬純物質(zhì)等軸枝晶生長[J]. 張玉妥,李殿中,李依依,龐維誠,丁彥明.  金屬學(xué)報. 2000(06)

博士論文
[1]多晶多相凝固系統(tǒng)的相場模型研究[D]. 楊超.北京科技大學(xué) 2020
[2]金屬材料微觀組織結(jié)構(gòu)演化的相場法研究[D]. 羅志榮.廣西大學(xué) 2013
[3]Cu-Ni-Si合金微結(jié)構(gòu)及相變的計算與模擬[D]. 龍永強.上海交通大學(xué) 2011
[4]基于Thermo-Calc熱力學(xué)計算Al-Cu共晶合金微觀組織模擬及實驗驗證[D]. 湯進軍.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2010
[5]鑄造合金的微觀組織模擬[D]. 丁恒敏.華中科技大學(xué) 2005
[6]鋁合金凝固過程枝晶生長的相場法數(shù)值模擬[D]. 龍文元.華中科技大學(xué) 2004
[7]過冷熔體中枝晶生長的相場法數(shù)值模擬[D]. 于艷梅.西北工業(yè)大學(xué) 2002

碩士論文
[1]Al-Si合金枝晶形貌的三維相場法模擬[D]. 張冰.中北大學(xué) 2019
[2]金屬凝固過程微觀組織形成的相場法模擬研究[D]. 劉靜.西北工業(yè)大學(xué) 2006



本文編號：3465433