1.一种异质金属固相焊界面金属间化合物演变相场模拟方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1、建立金属间化合物演变模拟的概念模型;
S2、建立金属间化合物演变模拟的微观相场计算模型;
S3、定义金属间化合物演变模拟的初始条件;
S4、定义金属间化合物演变模拟的计算域、边界条件和空间步长;
S5、建立金属间化合物演变模拟的热力学、动力学和晶体学数据库;
S6、求解相场计算模型,获得金属间化合物演变模拟的计算结果。
2.根据权利要求1所述异质金属固相焊界面金属间化合物演变相场模拟方法,其特征在于,步骤S1中,所述概念模型包括:异种金属固相焊接中,异种金属分别为A和B,界面上包括金属固溶体A、金属固溶体B、金属间化合物Ax1By1和金属间化合物Ax2By2四种相,且金属固溶体A、B与金属间化合物Ax1By1、Ax2By2之间为相界面;
金属间化合物Ax1By1、Ax2By2形核之后长大,在界面上随机位置以随机大小和随机取向形核,并且金属间化合物Ax1By1、Ax2By2的厚度和宽度设定为2‑4个空间步长。
3.根据权利要求2所述异质金属固相焊界面金属间化合物演变相场模拟方法,其特征在于,步骤S1中,所述概念模型还包括:金属固溶体在紧密接触的界面位置,经过原子互扩散之后局部溶质浓度达到过饱和溶解度,自发向自由能更低的金属间化合物相转变,此时金属固溶体A被金属间化合物Ax1By1取代,金属固溶体B被金属间化合物Ax2By2取代,随着金属间化合物晶粒长大,晶界能自发逐渐降低。
4.根据权利要求3所述异质金属固相焊界面金属间化合物演变相场模拟方法,其特征在于,步骤S2中,所述微观相场计算模型包括:先定义一个非守恒的连续场变量,用来识别不同的相或晶粒,相场模型用相场变量φi(x,t)(i=1,2...,101)表示系统中金属间化合物相及其空间分布,其中φi=1为A基体金属,φi(x,t)=1(2<=i<100)为IMC,φn=1(n=101)为B基体金属,每个相场空间都被平均分布一个独立的φi(x,t)(i=1,2...,n),并由 对每个相场空间进行约束;
为了描述金属间化合物的随机晶体取向,定义金属间化合物Ax1By1的晶体取向为2‑50随机数,定义金属间化合物Ax2By2的晶体取向为51‑100随机数;定义金属固溶体A的晶体取向为1,定义金属固溶体B的晶体取向为101;在计算时,保持金属固溶体A和金属固溶体B的晶体取向不变,并认为金属间化合物具有随机晶体取向,忽略金属间化合物择优取向对演变动力学的影响。
5.根据权利要求4所述异质金属固相焊界面金属间化合物演变相场模拟方法,其特征在于,步骤S2中,所述微观相场计算模型还包括:模拟系统总能量遵循Cahn‑Hilliard方程:系统自由能量密度为:
式中,i,j表示相场变量,i,j=1‑101,V表示合金的体积,εij为梯度能量系数,与形成界面或晶界所涉及的能量有关,ωij表示两相或晶粒之间势垒的双势阱能垒高度;抛物线型双i
势阱仅在界面区定义,这保证了只在界面的有限区域计算相场随时间演变,f是第i相的化学自由能密度,它取决于相的元素组成ci;
相场随时间的演变遵循弛豫方程:式中,t为计算时间,χi为阶跃函数,如果φi>0,则χi=1,否则χi=0,它表示1、101或金属间化合物相占据计算域中的给定点;
共存相/晶粒的数量Np为:
相界面上求解自由能对相场变量的导数如下:式中,fc为自由能密度对原子浓度的导数;
相场对时间的导数φi,t为:
式中,i,j,k均表示相场变量,且i,j,k=1‑101,拉普拉斯算子项为局部曲率对自由能的贡献,即考虑了吉布斯‑汤姆森效应;
梯度能量系数ε和两相或晶粒之间势垒的双势阱能垒高度ω表达式为:式中,ξ为界面的半宽,σij是不同相或晶粒之间的界面能;
界面迁移率Mij表达式为:
式中K的表达式为:
式中, 与 是溶质原子在i相和j相的平衡溶解度, 为积分变量;
Dij为Di与Dj中的最大值,Di与Dj分别为i相与j相的原子互扩散系数;
模拟系统原子扩散遵循质量守恒定律,扩散方程为:式中,Mc表示扩散性,c为原子浓度;
自由能对平衡溶解度的导数可以修正为:式中, 为第i相的自由能密度对第i相的原子浓度的导数, 考虑到满足Mc=D/fcc,其中D是依赖于相场的扩散系数,fcc是自由能密度对原子浓度的二阶导数,单一相中的扩散系数认为是常数;
原子浓度随时间变化的扩散方程为:式中, 是二元函数自由能密度先对原子浓度c求导,再对相场φi求导的导数;
由于 代入上式得出:
对于以上相场控制方程和原子扩散控制方程,需要采用两套网格基于显式有限差分技术求解:第一套网格用于定义相场和溶质场分布空间,第二套网格的节点位于第一套网格节点的中点处,用于求解扩散通量;采用向前的欧拉方法求解相场和溶质场微分方程。
6.根据权利要5所述异质金属固相焊界面金属间化合物演变相场模拟方法,其特征在于,步骤S3中,所述初始条件包括:金属固溶体的初始溶质浓度,计算域的温度,等效塑性应变、应变率,以及焊接时间;
其中,界面处金属固溶体的原子扩散系数取决于计算域的温度,等效塑性应变,应变率。
7.根据权利要求6所述异质金属固相焊界面金属间化合物演变相场模拟方法,其特征在于,步骤S4中,所述计算域的长度和宽度为10‑1000μm,空间步长为0.1μm,所述边界条件为Neumann边界条件。
8.根据权利要求7所述异质金属固相焊界面金属间化合物演变相场模拟方法,其特征在于,步骤S5中,所述热力学数据库包括不同相平衡溶解度曲线、化学自由能fn以及梯度能系数ε和双势阱能垒高度ω;采用CALPHAD技术对体系中各个相进行热力学计算;对于金属固溶体和金属间化合物,单位摩尔体积的化学自由能密度均采用抛物线函数表达:i 2
fci=ui(ci‑vi) +wi所述动力学数据库包括不同相的原子扩散系数Dn,界面迁移率Mn;
所述晶体学数据库包括界面能σ,以及晶体学各向异性系数。
9.根据权利要求8所述异质金属固相焊界面金属间化合物演变相场模拟方法,其特征在于,求解相场计算模型包括:采用相场计算有关的数据以及金属间化合物演变有关的数据,编制Matlab或者Fortran程序并进行数值计算。
10.根据权利要求9所述异质金属固相焊界面金属间化合物演变相场模拟方法,其特征在于,在获得金属间化合物演变模拟的计算结果之后,还包括对计算结果进行后处理;
优选地,所述后处理包括:输出一定焊接工艺体系中各相的自由能曲线、原子扩散系数、界面迁移系数的材料参数;获取异种金属固相焊界面微观组织形貌图片、溶质分布云图、金属间化合物层厚度以及转变分数随时间变化曲线、界面两侧的溶质浓度变化曲线;对比分析不同焊接工艺下的金属间化合物转变动力学规律、晶粒度和厚度。