Page 193 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第五章 焊接与热处理工艺仿真技术

核的等温扩散转变，奥氏体碳浓度随温度的升高而降低。中国科学院李殿中等运
用相场法研究了 Fe-C 二元合金在临界区等温过程中的奥氏体—铁素体转变，得
出随着等温温度的降低，该相变过程具有从扩散控制生长模式向界面控制生长模

式转变的趋势。此外又深入研究了 Fe-C-Mn 三元合金在同样条件下的奥氏体—
铁素体转变过程中，Mn 含量对奥氏体—铁素体转变动力学的影响。上海交大张
黎通过建立描述 Fe-C 体系中奥氏体—铁素体转变的相场模型，针对晶界的奥氏
体—铁素体相变，进行了长程扩散型相变和块状相变的模拟。结果表明：长程扩

散型相变中，新相生长满足抛物线规律；而块状相变中，再现了碳原子发生短程
扩散和界面快速迁移的特征。针对晶内的奥氏体—铁素体转变，将各向异性界面
能引入其中，通过对各向异性和相变驱动力的 Allen-Cahn 的计算分析，系统探
讨了各向异性收缩作用和各向同性长大作用之间的竞争行为及其对新相形貌的影

响，解释了晶内铁素体形貌与 Wulff 之间的相似性。
2. 元胞自动机法的现状
材料科学中 CA 法被广泛应用于凝固过程、晶粒长大与再结晶、固态相变、
析出相生长等现象的模拟。

钢的热处理微观组织模拟发展较晚，1998 年 Kumar 等才建立了第一个基于
高斯形核函数和扩散控制生长的奥氏体—铁素体相变 CA 模型。该模型描述了
铁素体的形核和早期生长的竞争行为，模拟结果与试验结果相吻合。2002 年，
Zhang 等建立了连续冷却条件下的低碳钢奥氏体—铁素体相变 CA 模型。该模型

使用了概率性转变规则，研究了冷却速率和局部溶质浓度变化对铁素体形核和生
长的影响。2004 年，Lan 等摒弃以往的溶质扩散控制生长理论，引入了晶界迁移
速率模型计算铁素体的生长。2009 年，Zheng 等扩展了已有的 CA 模型，模拟了
低碳钢的奥氏体形变诱导铁素体相变。结果显示，该过程同时存在奥氏体—铁素

体相变、动态再结晶和热变形。模拟结果揭示了碳原子的堆积和残留奥氏体的岛
状效应会限制铁素体晶粒的粗化。2014 年，Svyetlichnyy 等采用元胞自动机法建
立了奥氏体—铁素体相变的 3D 模型，并探讨了 3 种铁素体形核位置和初始碳成
分对转变组织和相变动力学的影响。

3. 蒙特卡罗法的现状
2002 年，Tong 等应用 Landau-Ginzburg 自由能模型描述奥氏体和铁素体相
的化学自由能，并建立了首个描述 Fe-C 二元系等温奥氏体—铁素体相变的蒙特

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