Page 192 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

Numerical Simulation Driven Hot Working Technology for High-temperature Alloys
数值模拟驱动的高温合金热加工技术

MICRESS 建立二维相场模型，研究了 Fe-C-Mn 三元合金系的连续冷却，再现相
变过程中的短程 FCC/BCC 点阵重构和长程碳分配现象。此外，又建立了 Fe-C-
Mn-Nb 四元合金系从不同奥氏体化温度冷却的二维相场模型，通过试验得到奥

氏体组织的形核条件和微观组织的数据，并作为模型初始输入参量，用界面迁移
率定量确定 NbC 对相变的影响，将界面迁移率调整到一个合适的数值，使模拟
曲线与膨胀试验得到的铁素体分数曲线相匹配。模拟结果显示，当奥氏体化温度
较低时，奥氏体转变的界面迁移率较低，因为奥氏体化时 NbC 沉淀析出，在相

界面起钉扎作用，使相变表现为界面控制型。当奥氏体化温度较高时，Nb 原子
溶入奥氏体，此时溶质拖曳效应弱于钉扎效应，相变呈现出混合控制型特征。因
此，相变是界面控制型还是扩散控制型很大程度上受 Nb 元素存在形式的影响。
2006 年，Militzer 等采用 MICRESS 软件建立了第一个奥氏体—铁素体转变

的三维相场模型。模拟发现，奥氏体的初始三维微观形态对形核动力的影响很小。
然而模拟试验发现，形核密度和形核发生的温度区间在形核动力中起主要作用。
将此三维模型与同时建立的二维模型进行了比较，发现二维模拟的转变速率较快。
此外，在二维微观组织的模拟中观察到了一些不合实际的现象，而三维模拟却给

出了真实的微观组织描述。
Kohtake 等对 Coates 等人提出的扩散相变分析模型进行了比较，按不同的思
路采用相场法重新研究了基于 KKS 模型和 Fe-C-Mn 三元合金相图的等温奥氏体—
铁素体转变行为。结果表明，随着奥氏体 / 铁素体界面的表面迁移率下降，铁素

体相的生长模式从扩散控制型转变为界面控制型。除了用于描述奥氏体—铁素体
相变，相场法还用于描述钢铁材料的奥氏体分解等其他相变过程。如 Steinbach 等
采用相场模型研究了应力应变对珠光体转变动力学的影响，Arif 等开发了贝氏体
相变演化的相场模型，改进后的模型以传统相场理论为基础，结合立方晶体对称

分析和位移变换理论，再现了真实的晶粒形貌和取向。Mahnken 等提出了一种模
拟下贝氏体转变以及碳扩散和碳化物形成的相场模型，根据耦合 Cahn-Hilliard 方
程的相场法来模拟碳的扩散。模型成功显示了耦合碳扩散后的微观组织演变，也
模拟出层状和球状碳化物。Mamivand等总结了关于相场法模拟马氏体相变的历程，

指出，当前马氏体相变模拟主要集中在从立方相到四方相等问题。
在国内，山东大学宋述同 22 采用 C++ 语言建立了新的相场模型，成功模拟
了奥氏体—铁素体转变中的等温扩散转变和块状转变，结果表明，温度影响单晶

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