[发明专利]一种预测局域应力态下钛合金中纳米α孪晶析出与显微组织演化的相场模拟方法

权利要求书

1.一种预测局域应力态下钛合金中纳米α孪晶析出与显微组织演化的相场模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据钛合金的目标热处理温度、β与α相的Gibbs自由能曲线及两相平衡时的平衡成分，获取β→α固态转变时各相的局域自由能密度；通过梯度项将界面能引入总化学自由能项；在笛卡尔坐标系下计算一种α变体相变应变张量，经过空间旋转对称操作获得其余十一种α变体的相变应变张量；

S2、根据步骤S1获取的钛合金β→α固态相变时各相的Gibbs自由能密度以及α变体相变应变张量信息，建立相场动力学模型并确定多个输入参数，通过相场控制方程计算相场两类序参量结果值；

S3、保持目标热处理温度不变，改变不同外加应力载荷，计算获得纳米α孪晶形核与演化的微观组织形貌信息；

S4、将S3中微观组织及成分演化结果进行可视化处理，获得应力状态对纳米α孪晶形核与演化的影响规律。

2.如权利要求1所述的预测局域应力态下钛合金中纳米α孪晶析出与显微组织演化的相场模拟方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下内容：

钛合金中β与α相体化学自由能密度表达式：

其中为插值函数，用来连接β与α两相的自由能曲线；与分别为α与β相的平衡摩尔自由能(单位为J/mol)，其与体系温度T(单位为K)、合金元素c(单位为at.％)密切关联，通过Landau多项式做拟合近似；φ_p或φ_q(p,q＝1,···,12)表示12种α相变体；表征不同α变体之间的能垒，表征β相与12种α变体之间的能垒，ω₁与ω₂为能垒高度(单位J/mol)；

相场模型中，界面能是与界面处的结构或浓度非均匀相关的附加自由能；通过加入梯度项将界面能引入化学自由能项中，梯度项表达式为：

k_c与k_φ是梯度能系数张量，前后两项分别代表化学自由能变化和结构非均匀所产生的附加化学自由能；表示成分梯度，单位为m^-1；表示结构场变量梯度，单位为m^-1；

变体1的相变应变表达为：

通过空间旋转对称操作获得其余十一种α变体的相变应变张量。

3.如权利要求2所述的预测局域应力态下钛合金中纳米α孪晶析出与显微组织演化的相场模拟方法，其特征在于，变体2相变应变张量对应的旋转对称操作矩阵为：

所以变体2的相变应变表达为：

其中R^T为R的转置矩阵；其余α变体依此类推。

4.如权利要求1所述的预测局域应力态下钛合金中纳米α孪晶析出与显微组织演化的相场模拟方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下内容：

体系总自由能表达为场变量的泛函，包含局域化学自由能、梯度能、弹性应变能以及外加力场下的相互作用能量项，即：

其中，各个符号表示的含义和单位是：F表示总自由能(单位：J/mol)，G_m为摩尔自由能(单位：J/mol)，k_c与k_φ为成分与结构场变量梯度项系数(单位：J·m²/mol)，E^el表示弹性应变能(单位：J/mol)，为外应力与变体间相互作用能(单位：J/mol)；

浓度场随时间的演化由扩散方程控制，通常指Cahn-Hilliard方程：

M是扩散迁移率，表征溶质扩散速率，单位为mol·m²/sJ，其数值越大代表扩散越快，是依赖于温度参数的变量；

长程序参量场随时间的演化由弛豫方程描述，通常指时间相关的Ginzburg-Landau(TDGL)方程或Allen-Cahn方程：

L_φ是表征结构弛豫的动力学系数，单位为m³/J/s，其数值越大代表结构弛豫越快；随机噪声项ζ_c(r,t)与ξ_p(r,t)分别表征浓度序参量与结构序参量的涨落，用来模拟体系内α相的形核过程。

5.如权利要求1所述的预测局域应力态下钛合金中纳米α孪晶析出与显微组织演化的相场模拟方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下内容：

弹性应变能表达式为：

其中n为单位倒格矢量，C_ijkl表征体系的弹性常数张量，是体系宏观的平均应变(单位为％)，V是体系体积(单位为m³)；

B_pq(n)为两体相互作用势，单位为J/mol，表达式为：

是变体p对应的相变应力，单位为GPa，表达式为：

其中为第p个变体的相变应变；

Ω_jk(n)为格林函数张量，单位为GPa^-1，满足：

{φ_p(r)}_g为的共轭，表达式为：

在应变控制边界条件下，外加应力与各个变体间的弹性相互作用能表达为：

考虑到外加应力载荷条件下，其对α相沉淀析出的相变驱动力的额外贡献估量为外加均匀应变与每一种α相变体相变应变张量之间的弹性相互作用能；为外加应力下的平均应变，C_ijkl与同其在弹性应变能项中物理含义一致。