Page 194 - 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

卡罗模型。该模型不仅能模拟相变过程的组织和碳浓度变化，同时也可以预测相
变结束时平衡态铁素体的体积分数。随后，Tong 等对上述模型进行了改进，一
方面将 Landau-Ginzburg 自由能模型替换成规则溶体自由能模型，另一方面添加

了相界面能和碳原子这两个影响相变动力学的因素，使模型更为完善。
（三）不同微观组织模拟方法的比较
从上述热处理微观组织模拟方法的发展和现状可以看出，该领域相场法已成
为当前的主流。
首先在相变模拟层面。相场法由于弥散界面这一特征，可以对很多复杂的微
观结构演化进行模拟，不需要对其界面形状、相互分布以及具体位置进行预设和

追踪。同时，经过适当的模型选择，相场法也可以模拟从扩散控制型到界面控制
型转变这一相变过程，这是元胞自动机和蒙特卡罗法不能做到的。此外，相场法
还能方便地分析界面处耦合溶质的影响。而蒙特卡罗法和元胞自动机法，由于引
入概率性转变规则，其可以较好地描述整体的相变动力学行为（比如，在连续冷
却过程或者等温过程中新相母相体积分数的变化），不能准确追踪和模拟最关心

的相界面的迁移、复杂界面的构型演变行为和溶质原子在界面处的分布等。此外，
概率性转变规则对模型初始参数（如采用形核理论转变规则时的形核位置、形核
参数等）要求严格，否则与实际相差很大。尽管相场法也存在参数设置问题，比
如包含许多与热力学性质、相成分和界面结构等相关的场变量，且这些场变量参
数很难测量，但相比而言困难较小。模拟结果方面，尖锐界面的特性使关于晶界
界面性质的模拟很难实现，这也导致其对固态扩散型相变的模拟不如相场法准确。

同时，元胞自动机法还受限于对底层网格元胞的划分和邻域类型的选择，以及在
固态扩散型相变中，元胞自动机模拟的时间步数、元胞的尺寸和界面速度都没有
特定的物理意义。蒙特卡罗法和概率性元胞自动机法在上面这点中非常相似，两
者都是将局部转变规则应用到相互联通的网格中来描述复杂系统中离散空间和时
间演化，差别仅在于转变规则和每个元胞状态更新的方式。在蒙特卡罗法中，转

变规则只取决于局部自由能的减少，而元胞自动机模型可以调整转变规则以适应
特定实验系统的动力学。因此，蒙特卡罗法模拟也缺乏物理尺寸和时间维度的意
义，得到的结果也很难与试验相匹配。
运算性能方面，相场法必然涉及复杂的偏微分方程运算，对计算机性能要求
高。但由于迄今计算机性能大大提高，使得这一问题不再那么棘手。相对而言，
元胞自动机法和蒙特卡罗法具有的离散特性，适合并行运算，计算效率稍高。

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