Matlab界面扩散下 Ni-Al合金析出相粗化规律(3)
随着计算机学科的发展，材料学上结合计算机模拟的方法应用也越来越广泛。
计算机模拟是运用物理模型结合理论计算对材料的本身性质、结构与成分、性能等
进行研究，达到对材料进行结构与功能的优化与控制。在某些领域，计算机模拟表
现出了独特优越性，例如观测单个原子、分子的运动情况等。总的来说，计算机模
拟具有以下几点作用：实验或者理论结果中不太清楚的现象和原理可以用计算机模
拟来分析和解释；用来模拟新现象和物质特性；实验条件难以达到的情况下，可用
计算机模拟来预测；建立模型，分析概括，探究新的理论。
第一性原理，就是从材料的原子组分开始计算，不依赖于别的实验参数或者经
验型数据，只要知道物质中原子的位置和电子数目，就能得到物质的各种性能。然
而无论是用能带理论还是用量子化学方法计算，都是费时费力的。所以，如果用有
效势来代替材料中粒子之间的相互作用势，且在这个基础上进行计算机模拟，这样
就能够大体上反应出由相互作用势所决定的电子结构及其材料的特性。因此，利用
计算机模拟，可以对固体，液体在不同温度下的行为，具有良好的发展前景。
1.3 相场法组织模拟
相场法是一种用于模拟和预测非常强大的方法与工具。在材料科学各个领域的研
究中，相场方法被广泛使用着，如枝晶生长，调幅分解，晶粒生长等。它是一种十分
重要的模拟方法，在研究材各种材料微结构的演化过程中有着明显的优势。相场法建
立在扩散模型的基础之上，运用相场法时，不需要考虑界面的形状及其分布，而且，
可以综合考虑到许多因素，如相干应变，弹性各向异性，外部应力，和 L12沉淀相的
析出。相场方法模拟合金的微观结构时，大量的晶粒组成了其微观结构，描述晶粒的
空间分布和形貌需要用时间、空间上的连续函数和场变量，如化学场、晶体场、结构
场、浓度场及温度场等。此外，相场方法还能描述界面位置随时间的演化。
与其他方法相比，相场法具有自己独特的一面，这使得它具有了很多优点 [23]
：不
管材料的组织形态和微观结构如何复杂，相场法都可以通过场变量简单的表征；引入
了一个连续扩散界面层，并用这个界面层来描述相界，这样就克服了经典理论中相界
必须是明锐界面的局限性；此外，实际试验中不容易描述出来的相的形核、长大及其
粗化、分离等过程也可以用相场方法描述；在综合考虑到长程和短程之间相互作用的各种热力学驱动力的情况下，使用同一个物理和数学模型就能达到模拟目的；不仅如
此，相场方法还可以研究内部场和外加场(如应变场、电场和磁场)对材料微观组织结
构变化的影响[16]
。
通常，运用相场方法模拟时的步骤是：(1)选择适当的相场变量；(2)构造体系自
由能函数，这可以根据选择的相场变量、描述相变过程所需的序参数场，基于基本热
力学和系统的对称性条件下来构造；(3)确定自由能函数的相关物性参数；(4)分别建
立基于能量守恒定律和质量守恒定律的动力学控制演化方程和基于 Ginzburg-Landau
动力学方程的非守恒序参量场的动力学控制方程；(5)在合适的初始条件以及边界条
件下求解动力学控制方程。
1.4 镍铝二元合金及其强化机理
镍基合金[10]
是指，在 650～1000℃高温条件下，能抗腐蚀、抗磨损等性能优异的
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