《材料相變過(guò)程微觀組織模擬》主要介紹了采用相場(chǎng)法對(duì)金屬材料沉淀相變和凝固過(guò)程中微觀組織的演化進(jìn)行模擬的理論模型和實(shí)際算例。全書(shū)共分6章，主要內(nèi)容包括緒論，相場(chǎng)法在合金沉淀過(guò)程中的理論模型及應(yīng)用，相場(chǎng)法在凝固過(guò)程中的理論模型及應(yīng)用。
《材料相變過(guò)程微觀組織模擬》既可作為材料科學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生的教材，也可作為材料專(zhuān)業(yè)科技工作者的參考書(shū)。
金屬材料的化學(xué)成分不同，其性能也不同，但對(duì)于同一種成分的材料，通過(guò)不同的加工處理工藝，改變材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)，也可使其性能發(fā)生極大的變化。因此，對(duì)金屬及合金內(nèi)部微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，是改善和發(fā)展新型材料的重要途徑。
所謂微結(jié)構(gòu)，是指所有熱力學(xué)非平衡態(tài)的晶格缺陷空間分布的集合；其空間尺寸可由零點(diǎn)幾納米到數(shù)米量級(jí)，所對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度可以從數(shù)秒（如非平衡態(tài)的雜質(zhì)原子）到數(shù)年（如腐蝕、蠕變和疲勞等過(guò)程）。單從空間尺寸角度，不同層次的微結(jié)構(gòu)模型可大致分為納觀、微觀、介觀和宏觀等系統(tǒng)。由于微結(jié)構(gòu)組分在空間和時(shí)間上分布范圍很大及其內(nèi)部的復(fù)雜性，要從物理上量化地預(yù)測(cè)其演化及性質(zhì)之間的關(guān)系，采用各種模型和模擬方法非常必要。尤其是對(duì)不能給出嚴(yán)格解析解或不易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的問(wèn)題，應(yīng)用模型和模擬更為重要。
計(jì)算材料學(xué)是一門(mén)涉及材料、物理、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、化學(xué)等，正在快速發(fā)展的新興學(xué)科，主要包括兩方面的內(nèi)容：一方面是計(jì)算模擬，即從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算，模擬實(shí)際過(guò)程；另一方面是材料的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)，即直接通過(guò)理論模型和計(jì)算，預(yù)測(cè)或設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)與性能。前者使材料研究不僅僅停留在實(shí)驗(yàn)結(jié)果和定性的討論上，而是使特定材料體系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果上升為一般的、定量的理論；后者則使材料的研究與開(kāi)發(fā)更具方向性、前瞻性，有助于原始性創(chuàng)新，可以大大提高研究效率。因此，計(jì)算材料學(xué)是連接材料學(xué)理論與實(shí)驗(yàn)的橋梁。高性能、高保真、高效率、多學(xué)科及多尺度是模擬仿真技術(shù)的努力目標(biāo)，而微觀組織模擬（從毫米、微米到納米尺度）則是近年來(lái)研究的新熱點(diǎn)。
第1章 緒論
1.1 引言
1.2 沉淀動(dòng)力學(xué)理論
1.2.1 非勻相轉(zhuǎn)變
1.2.2 勻相轉(zhuǎn)變
1.2.3 統(tǒng)一理論
1.2.4 沉淀相形貌
1.3 沉淀動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬
1.3.1 材料微結(jié)構(gòu)模擬尺度及方法概述
1.3.2 蒙特卡洛(MC)方法及對(duì)沉淀過(guò)程的模擬
1.3.3 分子動(dòng)力學(xué)方法
1.3.4 相場(chǎng)法及對(duì)沉淀過(guò)程的模擬
1.3.5 二元Ni-A1合金沉淀過(guò)程研究進(jìn)展
1.3.6 三元合金沉淀過(guò)程模擬研究進(jìn)展
1.3.7 共格彈性應(yīng)變能對(duì)沉淀過(guò)程的影響模擬研究現(xiàn)狀
1.4 凝固動(dòng)力學(xué)相場(chǎng)法模擬
1.4.1 熔體凝固過(guò)程相場(chǎng)模型的提出
1.4.2 朗道理論和金茲堡-朗道理論
1.4.3 凝固界面相場(chǎng)模型
第2章 合金沉淀過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型
2.1 引言
2.2 模型的基本假設(shè)
2.3 二元體系動(dòng)力學(xué)模型
2.3.1 微觀相場(chǎng)方程
2.3.2 微觀Langevin方程
2.3.3 傅里葉空間中的微觀Langevin方程
2.3.4 應(yīng)用到P.c.c晶格
2.3.5 三維P.c.c晶格的二維投影動(dòng)力學(xué)
2.3.6 熱起伏的產(chǎn)生
2.3.7 微擴(kuò)散方程與連續(xù)擴(kuò)散方程的關(guān)系
2.4 三元體系動(dòng)力學(xué)模型
2.4.1 三元體系微觀相場(chǎng)擴(kuò)散方程
2.4.2 傅里葉空間中的微觀Langevin方程
2.4.3 平均場(chǎng)自由能
2.4.4 四近鄰原子間相互作用近似
2.4.5 投影后的最終動(dòng)力學(xué)方程
2.5 模型的特點(diǎn)
2.6 研究對(duì)象二元Ni-Al合金
2.7 研究對(duì)象三元Ni75AIxV25-x合金
2.8 編程思路
2.9 本章小結(jié)
第3章 二元Ni-Al合金γ相早期沉淀機(jī)制
3.1 低濃度Ni-Al合金γ相早期沉淀機(jī)制
3.1.1 引言
3.1.2 沉淀相γ(Ni3Al)的有序結(jié)構(gòu)
3.1.3 模擬結(jié)果
3.1.4 分析與討論
3.2 高濃度Ni-Al合金γ相早期沉淀機(jī)制
3.2.1 引言
3.2.2 模擬結(jié)果
3.2.3 分析與討論
3.3 中間濃度Ni-Al合金γ相早期沉淀機(jī)制
3.3.1 引言
3.3.2 模擬結(jié)果
3.3.3 分析與討論
3.4 本章小結(jié)
第4章 三元Ni7sAl2.5 V22.5 合金沉淀機(jī)制模擬
4.1 Ⅰ區(qū)Ni75Al2.5 V22.5 合金沉淀機(jī)制模擬
4.1.1 引言
4.1.2 模擬結(jié)果
4.1.3 分析與討論
4.2 Ⅱ區(qū)Ni75Al2.5 V22.5 合金沉淀機(jī)制模擬
4.2.1 引言
4.2.2 模擬結(jié)果
4.2.3 分析與討論
4.3 Ⅲ區(qū)Ni75Al2.5 V22.5 合金沉淀機(jī)制模擬
4.3.1 引言
4.3.2 模擬結(jié)果
4.3.3 分析與討論
4.4 本章小結(jié)
第5章 共格彈性應(yīng)變能對(duì)沉淀相形貌的影響
5.1 引言
5.2 微觀彈性力學(xué)理論
5.3 微擴(kuò)散方程和微觀彈性力學(xué)理論的耦合
5.4 無(wú)量綱形式的動(dòng)力學(xué)方程
5.5 研究對(duì)象模型合金簡(jiǎn)介
5.6 模擬結(jié)果
5.6.1 模擬點(diǎn)“a”(C0=12at.％，T*=0.1 2)合金的沉淀過(guò)程
5.6.2 模擬點(diǎn)“b”(C0=14at.％，T*=0.08)合金的沉淀過(guò)程
5.6.3 模擬點(diǎn)“c”(C0=50at.％，T*=0.08)合金的沉淀過(guò)程
5.7 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較
5.8 本章小結(jié)
第6章 凝固過(guò)程枝晶生長(zhǎng)相場(chǎng)法模擬
6.1 概述
6.2 相場(chǎng)法數(shù)值模型
6.2.1 界面模型
6.2.2 相場(chǎng)模型
6.2.3 純物質(zhì)相場(chǎng)模型
6.2.4 單相二元合金的相場(chǎng)模型
6.2.5 各向異性模型
6.2.6 噪聲
6.3 相場(chǎng)模型的數(shù)值計(jì)算
6.3.1 初始條件和邊界條件
6.3.2 空間離散
6.3.3 時(shí)間離散
6.3.4 差分方程的穩(wěn)定性條件
6.3.5 程序流程圖
6.4 鋁合金枝晶生長(zhǎng)模擬結(jié)果和分析
6.4.1 不加噪聲的枝晶形貌
6.4.2 加噪聲的枝晶形貌
6.4.3 初始晶核半徑對(duì)枝晶生長(zhǎng)的影響
6.4.4 空間步長(zhǎng)對(duì)枝晶尖端半徑和枝晶尖端生長(zhǎng)速度的影響
6.4.5 各向異性系數(shù)對(duì)枝晶生長(zhǎng)的影響
6.4.6 過(guò)冷度對(duì)枝晶生長(zhǎng)的影響
6.5 宏觀微觀模擬相耦合方法的研究
6.5.1 宏微觀耦合的插值方法
6.5.2 宏微觀耦合模擬計(jì)算數(shù)值穩(wěn)定性
6.6 本章小結(jié)
參考文獻(xiàn)
1.1引言
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值模擬方法對(duì)真實(shí)材料系統(tǒng)進(jìn)行模擬“實(shí)驗(yàn)”，提供模擬結(jié)果，指導(dǎo)新材料研究，是材料設(shè)計(jì)的有效途徑之一。在許多難以進(jìn)行或根本無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的情況下，模擬則尤為重要。
1.2 沉淀動(dòng)力學(xué)理論
沉淀是最重要的固態(tài)相變之一，合金的重要性質(zhì)，如強(qiáng)度、韌性、抗蠕變、抗磨損、磁性和超導(dǎo)性能等，很大程度上取決于沉淀相，因此，揭示早期沉淀機(jī)制，進(jìn)而精確控制其顯微組織，對(duì)材料科學(xué)有重要意義。
19世紀(jì)，吉布斯將導(dǎo)致相變過(guò)程的漲落區(qū)分為兩類(lèi)：第一類(lèi)是程度甚大而空間范圍甚小的漲落；第二類(lèi)是程度甚小而空間范圍甚大的漲落。第一類(lèi)漲落導(dǎo)致通過(guò)形核生長(zhǎng)的過(guò)程實(shí)現(xiàn)非勻相轉(zhuǎn)變。非勻相轉(zhuǎn)變動(dòng)力學(xué)已取得比較完整的認(rèn)識(shí)，各階段理論已初具框架；第二類(lèi)漲落導(dǎo)致失穩(wěn)分解，即勻相轉(zhuǎn)變，其動(dòng)力學(xué)直到20世紀(jì)50年代才從理論上取得重要突破，目前還有待于進(jìn)一步發(fā)展。
1.2.1 非勻相轉(zhuǎn)變
1.經(jīng)典成核（明銳界面模型）假設(shè)均勻固溶體急冷人混溶隙內(nèi)的亞穩(wěn)區(qū)，然后在此區(qū)足以使溶質(zhì)擴(kuò)散的溫度時(shí)效，一段時(shí)間后基體中將形成i個(gè)原子（個(gè)體）的微集團(tuán)。經(jīng)典形核理論將溶質(zhì)漲落視為分布在基體中的微粒，構(gòu)成平衡沉淀相的一部分。在這種微粒模型中，假定基體相和沉淀相的界面為明銳的，這一近似減少了描述集團(tuán)的獨(dú)立變量數(shù)目（雖然形核過(guò)程中這些變量事實(shí)上或許會(huì)發(fā)生變化，例如，溶質(zhì)濃度、集團(tuán)內(nèi)原子分布、集團(tuán)形狀和界面兩側(cè)的成分變化等）。
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