相场法模拟钛合金相变

近年来，以计算材料科学为基础，试错性材料设计法正在向理论性材料设计法迈进，并且已进入实用化的新阶段。相场法(phase-field method，以下简称PF法)是基于连续体模型，研究材料组织形成过程现象的一种模拟方法。日本名古屋工业大学小山敏幸介绍了PF法的计算要点，并以钛合金为对象举例加以说明。

PF法一般采用场的有序变量来解析不均匀场的时间、空间变化的连续体模型，即设定随着位置以及时间变化的相场有序变量，用这个变量写出具有复杂组织的全自由能，从这个能量散逸定义其进展方程式，计算有序变量随时间和空间变化(即组织形成过程)的方法。有序变量分为物理性守恒变量和非守恒变量，因此，PF法要同时数值解析守恒场以及非守恒场的非线性进展方程式，模拟计算组织形成的时间进程。其中全自由能泛函数包括化学自由能，空间不均匀引起的梯度能，弹性应变能，外部应力场引起的力学势能，外部磁场及有关磁区组织的能量，外部电场、库仑相互作用引起的电能等。

用PF法对4种类型的钛合金组织相变进行了模拟计算:①α(hcp)相的相变，例如Ti-Al合金中从α-Ti(hcp)相析出Ti3Al(D019)相;②γ(hcp)相的相变，例如γ-TiAl(L10)金属间化合物中析出 Ti3Al5(P4/mbm)相;③β(bcc)相的相变，例如Ti-V-O合金中β(bcc)相的偏聚分解;④α+β两相组织形成，例如Ti-Al-V合金中从β相析出α相的魏氏组织。用PF法进行模拟计算给出了上述4种类型钛合金的组织演变图。研究结果表明，应用PF法在理论上可以有效地解释钛合金中的复杂相变现象。