摘要
钢铁材料因性能优异、成本低廉和可回收的特点，成为现代生活中的基础材料。材料经淬冷工艺发生的马氏体相变是固态相变的基本形式之一，该过程伴随着晶体结构的改变可以优化材料的性能。马氏体具有一定的强度和良好的韧性，其优良的力学行为与马氏体的演化息息相关。为了充分发挥材料的性能，研发设计新型构件，需要深入研究马氏体相变的形貌演化过程。马氏体相变速度非常快，相变过程中微结构演化与弹性应变场的相互作用非常复杂，一般的实验环境甚至是先进的实验设备在如此短的时间内追踪马氏体转变也有所局限，数值模拟可以在很大程度上弥补这一不足，是研究此类问题的主要方法。其中相场法以其独特的优势广泛应用于材料研究领域，成为研究相变的强有力工具，可以用来研究马氏体相变。 本文基于马氏体相变的微弹性相场模型，引入晶界能来描述双晶及多晶条件下马氏体相变演化过程。根据模型确定了晶界模拟参数，研究了双晶中晶界对马氏体相变形貌、速度及动力学能量曲线的影响，探讨了多晶中晶粒尺寸因素对单变体、双变体马氏体形貌演变的影响，并解释了晶界处的形核机理。研究结果表明：晶界阻碍马氏体相生长的同时又会诱导新的马氏体晶核的产生，促进新的马氏体相变过程；多晶双变体马氏体相变会形成自协调孪晶马氏体结构，且随着晶粒尺寸的减小，晶粒内形成的孪晶界面数会减小；在局部内应力的驱动下晶界诱导形核，其表现为：①马氏体板条能跨越晶界继续生长；②在相邻晶粒靠近晶界处生成了新的马氏体板条。 其次，模拟了双晶中不同晶界取向及晶粒取向的马氏体相变过程。结果表明：晶界取向与马氏体板条惯习面不平行时，板条尖端形成较大的应力集中，板条容易跨越晶界在相邻晶粒内长大；而当晶界取向与马氏体板条惯习面平行时，板条的边界形成较小的应力集中片，板条需要积累更多的能量才能穿越晶界；双晶中的晶粒取向差越大，形成的板条越细，且马氏体演化得越慢。最后，还模拟了三维奥氏体基体中随机成核发生的马氏体相变过程，最终形成层状孪晶马氏体结构。 本文关于材料中发生马氏体相变相场模型的扩展，向真实马氏体相变的微观组织演化过程推进了一步，为研究人员进一步探索改善材料的性能并设计材料制成的新型构件提供一定的参考。
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