通过数字图像相关性和傅里叶变换分析对DED 316钢的应变进行可视化研究：氢处理和热处理的影响

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Strain visualization of DED 316 steel via Digital image correlation and Fourier Transform analysis: effects of hydrogen and heat treatment

本文提出了一种结合多相场模型和新型粒子级温度模型的高加热速率烧结模拟方法，揭示了温度不均质对微观结构演化的影响，并证实了烧结前沿的形成机制。研究结果为优化烧结参数和设计高效加热方案提供了理论依据。

　　烧结是一种广泛使用的制造工艺，它通过将松散且强度较低的绿色坯体加热至一定温度，使其密度和强度显著提升，同时发生体积收缩。该过程在日常用品、工业零件乃至太阳能电池制造中都有重要应用。然而，传统烧结方法通常需要长时间在高温下进行，这不仅耗费大量能源，还可能引发晶粒生长，从而降低材料性能。近年来，高加热速率烧结方法被提出，以提高效率并改善材料特性。这些方法通过快速加热坯体，减少能源消耗，同时在不牺牲性能的前提下提高密度。然而，由于高热输入，控制烧结过程变得尤为重要，否则可能会导致热应力裂缝或不均匀烧结。

本研究旨在通过深入分析高加热速率烧结过程中微观结构的演变，降低实验试错成本，并提升烧结参数优化的效率。研究重点在于揭示在高加热速率下，代表性微观结构如何在局部和整体上发生变化，这一问题在以往的文献中尚未被充分探讨。为此，研究团队采用了一种多物理场的相场求解器，并引入了一种新的基于粒子的温度模型，该模型成功再现了高加热速率烧结过程中的多种典型特征。模拟数据与实验数据对比显示，该模型在广泛的密度范围内具有良好的一致性，无需对参数进行额外调整。此外，研究还首次在文献中展示了烧结前沿在包含晶粒生长效应下的模拟过程，这为实际材料烧结的加热程序设计提供了理论支持。

高加热速率烧结的一个关键挑战是温度场的不均匀性及其对微观结构的影响。温度不均匀可能导致局部区域的晶粒生长速度不同，进而影响整体的烧结效果。因此，研究团队提出了一个基于粒子的温度模型，该模型能够捕捉到高温对晶粒的不均匀影响。通过将整个绿色坯体的温度场分解为各个颗粒的温度，并结合热传导、对流和辐射效应，该模型能够在不显著增加计算负担的情况下，准确反映温度分布的细节。这一方法特别适用于大尺度的绿色坯体，因为它能够有效处理边缘和角落区域的加热效应，而这些区域往往具有更高的温度梯度。

在模拟过程中，研究团队发现，当加热速率较高时，绿色坯体的密度在相同温度下会更低，这是因为快速加热减少了晶粒生长的时间，从而降低了晶粒尺寸。然而，高加热速率也可能导致局部的晶粒生长不均匀，进而影响材料的最终性能。为了验证这些假设，研究团队进行了多组模拟实验，分别考虑了不同加热速率和不同绿色坯体尺寸的影响。结果显示，当加热速率增加时，晶粒尺寸会显著减小，同时密度变化曲线呈现出典型的凹形趋势，这与实验数据相吻合。此外，对于较大尺寸的绿色坯体，温度不均匀性会更加明显，这可能影响烧结过程的均匀性，但随着烧结前沿的形成，内部和外部的晶粒生长过程会逐渐同步，从而实现整体的均匀烧结。

在模型的实现方面，研究团队采用了基于相场的多物理场求解器，结合了晶粒运动模型和温度演化模型。相场模型能够描述微观结构的几何演变，而晶粒运动模型则基于晶界处的空位吸收速率。通过引入新的基于粒子的温度模型，研究团队能够有效减少计算复杂度，同时保留对温度场和微观结构的高精度模拟能力。该模型特别适用于高加热速率烧结过程，因为它能够处理不同尺度下的温度变化，并结合晶粒生长和晶粒运动的影响，提供更全面的模拟结果。

此外，研究团队还对模型的计算效率进行了优化。通过将相场方程和晶粒运动方程分别在通用图形处理器（GPU）上进行求解，并采用适当的数值方法（如有限差分法和WENO-Z格式），确保了模型在计算资源上的高效利用。为了进一步减少计算负担，研究团队还设计了一种异步的微结构计算方法，该方法能够在不显著影响整体模拟精度的前提下，减少计算时间。这些优化措施使得模型能够在合理的时间内完成对高加热速率烧结过程的模拟，从而为实际应用提供有力支持。

在实验验证方面，研究团队将模拟结果与实验数据进行了对比，发现两者在广泛的密度范围内具有良好的一致性。这表明模型能够准确反映高加热速率烧结过程的物理机制。同时，研究团队还探讨了温度不均匀性对晶粒生长和材料密度的影响，并通过不同加热速率和绿色坯体尺寸的模拟，验证了这些影响的可预测性。结果表明，温度不均匀性确实会影响微观结构的演变，但随着烧结前沿的形成，这些影响会逐渐减弱，从而实现材料的均匀烧结。

研究团队还对模型的适用性进行了深入分析。他们指出，该模型不仅适用于传统烧结过程，还可以推广到其他高加热速率烧结方法，如微波烧结等。虽然这些方法可能会引入更复杂的温度梯度，但只要加热输入不会在亚颗粒尺度上造成显著的温度差异，模型仍然可以有效应用。此外，研究团队还探讨了模型在不同材料参数下的表现，发现通过调整材料参数，模型能够灵活适应不同的烧结需求。

在实际应用方面，研究团队认为，该模型可以用于设计高效的烧结加热程序，特别是在需要快速达到目标密度的情况下。通过模拟不同加热速率和绿色坯体尺寸的影响，研究团队能够为实际生产提供理论指导，帮助优化烧结过程，减少能源消耗和时间成本。此外，研究团队还指出，该模型在模拟高加热速率烧结过程中的微结构演变方面具有显著优势，能够揭示晶粒生长、空位吸收和温度场的相互作用，从而为新型材料的烧结提供新的思路。

综上所述，本研究通过开发一种新的多物理场相场模型，结合基于粒子的温度模型，成功模拟了高加热速率烧结过程中的微观结构演变。该模型不仅能够准确反映温度不均匀性对晶粒生长和材料密度的影响，还能够在计算效率和精度之间取得良好平衡。研究结果表明，该模型具有广泛的应用前景，特别是在需要快速烧结和均匀微结构的工业场景中。未来的研究将重点探索更高效的数值方法，以提高模型对低加热速率和大晶粒尺寸的模拟能力，并进一步验证模型在不同材料体系中的适用性。