[发明专利]一种采用晶体相场方法模拟加热工艺对晶界预熔及熔化影响的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用晶体相场方法模拟加热工艺对晶界预熔及熔化影响的方法，属于晶体模拟技术领域。

背景技术

接近熔点温度时，晶界处预先形成液相薄膜，该现象称为晶界预熔(Grain Boundary Premelting。预熔的出现对于多晶材料的强度和断裂等力学行为等有着重要的影响，例如，它可以改变多晶材料的宏观性能，显著的减少剪切应变的阻力。尤其是后者在合金材料高温加工时的热裂纹，会产生灾难性的材料失效行为。因此，晶界预熔及熔化一直以来是材料研究的热点，而升温速率是影响预熔及熔化的重要因素之一。

由于晶界通常只有几个原子层的厚度，难以通过实验直接观察，计算机模拟研究晶界问题具有独特的优势。如MD研究使用Lennard-Jones势，半导体及金属原子间势能，证明其在熔点上方和下方不同温度时存在晶界无序层。Tang等人使用基本的Cahn临界点润湿模型，得到预熔化转变时亚固相线的晶粒间薄膜形态。Kikuchi和Cahn在晶界预熔化方面同样做出显著的研究，他们使用格子气模型和团聚-变化近似估计晶界预熔化的热动力学性能，其结果随后被MC模拟证实。

虽然以上方法能证实并且模拟晶界处液相层薄膜，但是由于这些模型本身的限制，无法定量的研究预熔化层的宽度与其影响因素之间的关系。近年来，PFC方法作为由DFT演化而来的先进场方法，在解决晶体材料的原子尺度密度波结构方面具有不可替代的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用晶体相场方法模拟加热工艺对晶界预熔及熔化影响的方法，以便采用晶体相场方法研究不同升温速率下，预熔及熔化的微观组织形貌，并且采用过剩质量法定量计算不同升温速率下预熔及熔化时晶界处的液相薄膜宽度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种采用晶体相场方法模拟加热工艺对晶界预熔及熔化影响的方法，具体包括以下步骤：

(1)建立晶体相场模型：

晶体相场模型基于传统相场方法的思想构建，将周期性函数形式引入模型中，序参量采用具有周期性的局部时间平均原子密度，在这里将密度写成无量纲形式，最简单的无量纲自由能泛函方程可以写成

F=∫dr→{ρ2[-ϵ+(▿2+1)2]ρ+14ρ4}---(1)]]>

这是SH模型的转变，这里的无量纲泛函与经典密度泛函理论相关；其中F是自由能函数，ρ是原子密度，ε是系统的过冷度，高的ε对应较高的温度；PFC模型中定义无量纲化学势为