相场法在凝固微观组织数值模拟中的应用

王锦程

西北工业大学材料学院

摘要

凝固是自然界中普遍发生的现象，更是铸造、焊接、增材制造等材料成形过程的物理基础。对材料微观组织演化过程的理解、预测与控制是材料科学的基本任务，如何实现不依赖于经验而正确预测并精确控制凝固组织是凝固学科最重要的追求目标。但由于凝固是一涉及原子堆垛、界面动力学、热质传输等多尺度以及温度场、成分场、流场等多场耦合的复杂物理过程，目前人们仍然无法对这一复杂过程做出全尺度上的精确描述。各尺度上的量化模拟是最终实现整体凝固模拟与预测的基础，其中微观组织模拟是非常关键的一环。准确获得凝固过程中材料微观组织演化信息，进而控制最终微观组织形态，可为实际铸造工艺设计提供微、介观尺度上的成分分布、组织特征等信息。相场法是一种描述材料微观组织演化的强有力工具，它可以真实再现微观组织演化过程，提供组织形成的定量化规律。在材料基因计划中,相场法既是预测材料微/介观尺度组织演变的首要计算工具，也是联系原子/电子尺度计算和多相材料宏观响应的中间桥梁。本报告将以原子尺度下的凝固形核和微观尺度下的枝晶竞争生长为例，介绍相场法在凝固微观组织数值模拟中的应用，探讨相场法在凝固这一典型多尺度多物理场的问题研究中的作用。

      DOI：10.12110/firstfmge.20171121.122