[发明专利]一种磁场下铁磁性晶粒演化的相场分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及相场法领域，具体涉及一种磁场下铁磁性晶粒演化的相场分析方法。

背景技术

计算机技术的快速发展催生了一门新兴交叉学科——计算材料学，即采用计算机模拟的方法来研究材料科学与工程领域中的许多问题，不仅可以节省实验费用和时间，而且通过与传统的理论和实验研究方法相结合，能更加深入到材料的机理性层面。在各种计算模拟方法中，属于微观到介观尺度的相场法以材料热力学和动力学为基础，能给出材料内部微观组织演化的方向和具体变化路径，再现材料在各种相变过程中组织随时间的演变过程并给出其定量描述，有助于深刻理解组织演变的内在机理和规律。与介观尺度的其它模拟方法相比，相场法无需对材料内部的界面进行追踪，因此被提出以来就得到了研究者们的青睐，在材料科学领域应用广泛，已较成熟地用于模拟过冷熔体中树枝状晶体生长、平面生长及固态相变等过程。

近年来，对于磁性材料的相场法研究也得到了人们的关注。由于铁磁性材料易磁化且饱和磁化强度大，因此在外磁场作用下会产生极大的磁能(包括塞曼能、磁晶各向异性能、交换作用能以及退磁能等)，从而铁磁相的能量状态发生变化。根据能量最小化原则，铁磁相会朝着各能量项(化学自由能、界面能、磁能等)之和最小的状态演化，因此外磁场对其组织形貌具有显著影响。通过理论计算模拟仿真，揭示外磁场对特定体系组织演化影响的内在规律，对实际工艺中合理利用外磁场控制合金微观组织形貌，从而获得所需性能具有重要的指导意义。

目前，耦合磁场的相场法研究通常只考虑单一磁能项，缺乏对磁能项的综合考虑，因此有必要基于微磁学理论公式，构建全面考虑各磁能项的相场模型，对外磁场作用下的组织演化过程及其规律实现定量研究。

发明内容

本发明的目的在于，以经典相场模型为基础，引入外磁场下铁磁性晶粒产生的磁能(塞曼能、磁晶各向异性能、退磁场能)，建立可以反映外磁场作用下产生的各磁能项对单畴铁磁性晶粒演化影响的相场模型，从而提供一种磁场下铁磁性晶粒演化的相场分析方法。

本发明的技术方案如下。

一种磁场下铁磁性晶粒演化的相场分析方法，该方法在经典相场模型的基础上，将铁磁性晶粒在外磁场作用下产生的磁能引入体系自由能，构建出用于模拟铁磁性晶粒在外磁场作用下演化过程的通用模型，所述通用模型可通过引入不同磁能项，研究不同外磁场强度下各磁能项分别对铁磁性晶粒演化的影响，以及总磁能对铁磁性晶粒演化的综合影响；所述磁能项为塞曼能、磁晶各向异性能和退磁场能。

优选的，在经典相场动力学方程

中的体系自由能G_sys加入外磁场引起的磁能E_mag

G′_sys＝G_sys+E_mag (2)

则所得通用模型的动力学方程为

其中，η为相场序参量；t为时间步长；M为磁化强度；G_sys为体系自由能；E_mag为外磁场引起的磁能。

优选的，所述外磁场引起铁磁性晶粒的磁能E_mag由塞曼能E_zeem、磁晶各向异性能E_anis和退磁能E_d组成；将塞曼能E_zeem、磁晶各向异性能E_anis和退磁能E_d逐个代替(3)式中的E_mag可分别得出不同磁能项对铁磁性晶粒演化的影响，将塞曼能E_zeem、磁晶各向异性能E_anis和退磁能E_d加和代入(3)式则可得出外磁场对铁磁性晶粒的综合影响。

优选的，所述塞曼能E_zeem与退磁能E_d与相场序参数η联系起来的方式为

因此，在外磁场H足够强的条件下塞曼能E_zeem和退磁能E_d可分别表示为

其中为铁磁相的饱和磁化强度，η_ferro为铁磁相序参量；μ₀为真空磁导率；H为外磁场强度。

其中Ms为饱和磁化强度；m(r)为单位磁矩；H_d为退磁场强度，退磁场强度表达式为

其中φ(r)为磁势，