基本介紹
- 中文名：相場模擬
- 外文名：Phase field Simulation
- 涉及學科：信息科學
- 套用：自動化
- 研究者的條件：理科，計算機編程學等基本知識
- 分類：微觀相場和連續相場
起源,定義,相場模擬的類型,計算機編程,
起源
該方法大約起源於20世紀七十年代，相場模擬最初是為了繞開凝固組織模擬中追蹤液固界面的困難提出的，其後在各類組織演化問題中得到廣泛套用。相場模擬本質上是一種彌散界面模型。它將系統看作一個整體，熱力學變數控制方程在不同的相區域具有相同的形式，不必跟蹤界面。
相場模擬通過引入在界面處急劇變化但連續的相場變數——序參量來描述不同的相，並與其它場變數相結合起來描述組織的演化問題。這些場變數在整個計算區域上是連續變化的，因此相場模擬中不再需要追蹤界面的幾何形態，也避免了追蹤界面所引起的誤差。
在二十一世紀初有了重要突破，正受到材料科學界的極大重視。
定義
相場理論是建立在統計物理學基礎上，以Ginzburg-Landau（金茲堡-朗道）相變理論為基礎，通過微分方程反應擴散、有序化勢及熱力學驅動力的綜合作用；
使用相場方法對晶粒長大進行仿真時，多晶粒的顯微結構由一系列連續的場變數η1(r), η2(r), η3(r), η4(r),……ηp(r)表示,其中p為取向數，ηi(i=1……p),稱為取向場變數，它在空間上是連續的，代表各個不同的晶粒取向。r是點陣格點的位置。
相場模擬的類型
通常將相場模擬分為微觀相場和連續相場兩大類型，兩種模型均可以看做是Onsager和Ginzburg-Landau理論的冶金學派生方法。兩種模型的的主要區別在於場變數的不同，它利用原子在晶格格點的躍遷幾率作為場變數，即原子在格點和時刻t的占位幾率。這種處理方法實現了在原子尺度獲得微觀結構信息的能力，既可以獲得原子配置的信息，也可以得到微觀組織形態。國內西北工業大學在微觀相場領域做了可觀的工作，主要研究二元及三元合金沉澱機制和粗化的動力學行為以及包含共格畸變作用下的沉澱動力學研究。
連續體相場模擬主要分為兩大類，即分別套用於液-固相變和固態相變的相場模擬。
第一類相場模擬通過引入一個相場變數 來表示系統在時間和空間上的物理狀態，即用以區分液相和固相，如變數為1時 表示固相， 變數為0時表示液相，在0～1之間表示固-液界面，變數的引入是為了避免跟蹤固-液界面。這類模型最初由Langer基於Hohenberg-Halperin隨機模型提出，主要套用於凝固組織的模擬，如枝晶形貌的模擬，溶質元素的微觀偏析等。
第二類相場模擬是由Wang和Chen基於Khachaturyan 微觀理論[9]建立起來的，主要用於固態相變動力學過程的研究。相場變數主要包括局域成分場、長程式參數場。Wang（Ohio State University, USA）小組和Chen（Pennsylvanian State University, USA）小組以及Khachaturyan（Rutgers University, USA）小組是這類模型的典型代表；此外，Miyazaki （Nagoya Institute of Technology, Japan）、Onuki和Nishimori （Kyoto University, Japan）等也開展了與此類模型相關的研究。
計算機編程
相場模擬是基於擴散界面模型而提出，關於擴散界面的描述是由van der Waals提出的用密度場處理液-氣體系中的流體界面問題。而我們所見的相場模型則是基於20世紀50年代Ginzburg和Landau提出的用於處理超導性的模型，該模型採用了複雜的序參量及其梯度向量；隨後Cahn和Hilliard基於熱力學方程，考慮非均勻性體系中擴散界面，構造了今天普遍使用的瞬時微觀結構演化的模型，分別使用非保守場變數（結構序參量）和保守場變數（濃度場）作為函式，通過體系序參量和濃度場變數的變化來表征體系組織的演化。然而進入21世紀以來，隨著計算機和模擬技術的快速發展以及材料熱力學數據和動力學理論的逐漸完備等，相場模型在微觀組織的模擬方面才迅速發展起來，並成為一種有效的材料模擬方法。
相場模擬並無確定的商業化軟體，大多數還是靠研究者逐行編寫代碼，由於需要研究者具備材料學基礎、一定的數學基礎和電腦程式設計基礎，交叉能力的要求使得不少研究者望而生畏，也很大程度上阻礙了此方法的套用活躍度。若有商業化軟體的出現，將極大加快此方法的套用和研究。
