大尺度模拟二维晶粒长大过程的相场法研究

梁冬梅，李 洁，张义灵，罗志荣

（玉林师范学院 物理科学与工程技术学院，广西 玉林 537000）

0 前言

多晶材料中晶粒长大过程控制着微观组织结构的演变，而晶粒组织结构直接影响着材料性能[1]，研究多晶材料晶粒长大过程中晶粒尺寸、边数的变化以及单个晶粒长大动力学具有重要意义。

传统上对晶粒长大的研究主要集中在理论和实验两方面[2]。随着科学技术与计算机技术的快速发展，出现了许多计算机模拟晶粒长大的方法，如蒙特卡罗（MC）[3-5]、元胞自动机（CA）[6]和相场（PF）[7]等方法。孙亚等人[8]采用相场法对二维晶粒长大过程进行仿真，研究了晶粒尺寸分布与拓扑演变；花福安等人[9]结合晶粒长大速率的统计理论，采用CA方法对基于曲率驱动机制的晶粒长大过程进行了研究；罗志荣等人[10]采用相场法探讨了不同初始微结构（柱状和梯度）对晶粒长大过程及其长大动力学的影响；Zöllner和Rios[11]采用MC方法模拟了二维晶粒长大过程中3种经典拓扑转变以及单个晶粒长大轨迹。上述研究采用了不同的方法模拟晶粒长大过程，但其模拟尺度均较小。实际上，模拟尺度越大，数据离散程度越小，获得的晶粒长大动力学和尺寸分布越准确[12]。然而，目前大尺度模拟二维晶粒长大过程中的晶粒半径和边数分布以及单个晶粒长大动力学的相场法研究还鲜有报道。相场法在模拟晶粒长大过程中对晶界做弥散化处理，不必直接跟踪动态界面，且易于将物理场等因素对晶粒长大的影响考虑进来，物理意义更明确[2]。……