[發(fā)明專利]一種磁場下鐵磁性晶粒演化的相場分析方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710483003.9
• 申請日: 2017-06-22
• 公開（公告）號: CN107315913A
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王剛;馮子康;伍雪花;曾德長
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司44102
• 代理人: 何淑珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及相場法領(lǐng)域，具體涉及一種磁場下鐵磁性晶粒演化的相場分析方法。

背景技術(shù)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展催生了一門新興交叉學(xué)科——計(jì)算材料學(xué)，即采用計(jì)算機(jī)模擬的方法來研究材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中的許多問題，不僅可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)費(fèi)用和時(shí)間，而且通過與傳統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究方法相結(jié)合，能更加深入到材料的機(jī)理性層面。在各種計(jì)算模擬方法中，屬于微觀到介觀尺度的相場法以材料熱力學(xué)和動力學(xué)為基礎(chǔ)，能給出材料內(nèi)部微觀組織演化的方向和具體變化路徑，再現(xiàn)材料在各種相變過程中組織隨時(shí)間的演變過程并給出其定量描述，有助于深刻理解組織演變的內(nèi)在機(jī)理和規(guī)律。與介觀尺度的其它模擬方法相比，相場法無需對材料內(nèi)部的界面進(jìn)行追蹤，因此被提出以來就得到了研究者們的青睞，在材料科學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，已較成熟地用于模擬過冷熔體中樹枝狀晶體生長、平面生長及固態(tài)相變等過程。

近年來，對于磁性材料的相場法研究也得到了人們的關(guān)注。由于鐵磁性材料易磁化且飽和磁化強(qiáng)度大，因此在外磁場作用下會產(chǎn)生極大的磁能(包括塞曼能、磁晶各向異性能、交換作用能以及退磁能等)，從而鐵磁相的能量狀態(tài)發(fā)生變化。根據(jù)能量最小化原則，鐵磁相會朝著各能量項(xiàng)(化學(xué)自由能、界面能、磁能等)之和最小的狀態(tài)演化，因此外磁場對其組織形貌具有顯著影響。通過理論計(jì)算模擬仿真，揭示外磁場對特定體系組織演化影響的內(nèi)在規(guī)律，對實(shí)際工藝中合理利用外磁場控制合金微觀組織形貌，從而獲得所需性能具有重要的指導(dǎo)意義。

目前，耦合磁場的相場法研究通常只考慮單一磁能項(xiàng)，缺乏對磁能項(xiàng)的綜合考慮，因此有必要基于微磁學(xué)理論公式，構(gòu)建全面考慮各磁能項(xiàng)的相場模型，對外磁場作用下的組織演化過程及其規(guī)律實(shí)現(xiàn)定量研究。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，以經(jīng)典相場模型為基礎(chǔ)，引入外磁場下鐵磁性晶粒產(chǎn)生的磁能(塞曼能、磁晶各向異性能、退磁場能)，建立可以反映外磁場作用下產(chǎn)生的各磁能項(xiàng)對單疇鐵磁性晶粒演化影響的相場模型，從而提供一種磁場下鐵磁性晶粒演化的相場分析方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下。

一種磁場下鐵磁性晶粒演化的相場分析方法，該方法在經(jīng)典相場模型的基礎(chǔ)上，將鐵磁性晶粒在外磁場作用下產(chǎn)生的磁能引入體系自由能，構(gòu)建出用于模擬鐵磁性晶粒在外磁場作用下演化過程的通用模型，所述通用模型可通過引入不同磁能項(xiàng)，研究不同外磁場強(qiáng)度下各磁能項(xiàng)分別對鐵磁性晶粒演化的影響，以及總磁能對鐵磁性晶粒演化的綜合影響；所述磁能項(xiàng)為塞曼能、磁晶各向異性能和退磁場能。

優(yōu)選的，在經(jīng)典相場動力學(xué)方程

中的體系自由能G_sys加入外磁場引起的磁能E_mag

G′_sys＝G_sys+E_mag (2)

則所得通用模型的動力學(xué)方程為

其中，η為相場序參量；t為時(shí)間步長；M為磁化強(qiáng)度；G_sys為體系自由能；E_mag為外磁場引起的磁能。

優(yōu)選的，所述外磁場引起鐵磁性晶粒的磁能E_mag由塞曼能E_zeem、磁晶各向異性能E_anis和退磁能E_d組成；將塞曼能E_zeem、磁晶各向異性能E_anis和退磁能E_d逐個(gè)代替(3)式中的E_mag可分別得出不同磁能項(xiàng)對鐵磁性晶粒演化的影響，將塞曼能E_zeem、磁晶各向異性能E_anis和退磁能E_d加和代入(3)式則可得出外磁場對鐵磁性晶粒的綜合影響。

優(yōu)選的，所述塞曼能E_zeem與退磁能E_d與相場序參數(shù)η聯(lián)系起來的方式為

因此，在外磁場H足夠強(qiáng)的條件下塞曼能E_zeem和退磁能E_d可分別表示為

其中為鐵磁相的飽和磁化強(qiáng)度，η_ferro為鐵磁相序參量；μ₀為真空磁導(dǎo)率；H為外磁場強(qiáng)度。

其中Ms為飽和磁化強(qiáng)度；m(r)為單位磁矩；H_d為退磁場強(qiáng)度，退磁場強(qiáng)度表達(dá)式為

其中φ(r)為磁勢，