A. 相场方法——材料微观组织模拟技术
相场方法，以热力学为基础，广泛应用于模拟材料的相变和微观组织演变。它提供了一种介观尺度的模拟技术，能够描述从一个相到另一个相的平滑变化，而非锐利界面。通过变量表示系统是否处于特定相或其浓度，相场方法灵活适用于多种材料科学与工程问题。下图展示了多尺度模拟与实验表征结合的途径，其中相场方法被用于研究材料微观组织。
相场模型主要分为连续相场和微观相场两大类。连续相场模型通过场变量描述，避免了追踪界面的复杂性，适用于凝固模型和其他相变过程。微观相场模型则利用原子在晶格位置的概率作为场变量，适用于固态相变、时效析出和马氏体转变等研究。Khachaturyan等人开创了微观相场模型，Chen和Wang等人进一步发展了该模型，使其在固态相变等领域得到广泛应用。
连续相场模型中，WBM、KKS和Steinbach模型是最为广泛应用的。WBM模型通过假设固液界面为浓度相同的混合物，引入了额外的双势阱。KKS模型则假定平衡时固液界面为化学势相同的混合物，忽略了溶质浓度的影响，主要适用于稀二元合金凝固过程模拟。Steinbach模型则基于各相扩散势相等的假设，通过变量匹配将纯物质的相场模型扩展至多元多相合金，实现了动态模拟。Steinbach和Zhang发展了考虑有限界面耗散的多相场模型，通过引入界面耗散系数，实现了任意热力学状态下的微观结构演变模拟。
相场方法具有独特优势，包括采用扩散界面简化追踪界面困难、描述非平衡过程的微结构演变、与不同外场方程耦合以实现宏观与微观尺度的结合。这种方法广泛应用于多元多相工业合金在不同制备过程的微结构演变模拟。
在集成电路领域，相场方法被应用于先进封装、薄膜生长、疲劳等多方面。中山大学黄志恒等人综述了其在先进封装领域的应用，相场法模拟超细连接中的微观组织形貌和演化，如凝固中形成的枝晶结构。瞬时自适应网格划分技术提高了相场法在微观组织模拟中的效率。
对于电子封装，相场法模拟了三维Cu-TSV结构中热应力的影响，研究了不同晶向上弹性模量的差异及其对热应力分布的影响。此外，相场法还用于研究电迁移过程，揭示其对超细连接中微观组织的影响，如相聚集、晶粒旋转和界面IMC厚度与形貌的变化。
在钴基高温合金研究中，刘兴军教授课题组开发了针对新型合金中γ/γ′两相组织演化的相场动力学模型。通过结合热/动力学数据库，模拟了Co-Al-W合金在时效过程中的微观组织演化，探讨了初始成分、错配度和时效温度等对合金组织特征的影响。模拟结果与实验结果一致性良好，为新型合金的组织设计和工艺优化提供了理论依据。
在金属增材制造中，相场法用于模拟微观组织的生长演化，如激光熔覆过程中熔池内的凝固组织演变。通过耦合复杂的传热模型，模拟计算结果与金相实验测量结果高度吻合，证明了相场法在金属增材制造中的应用潜力。
相场方法作为材料微观组织模拟的核心技术，已展现出强大的应用潜力。未来，随着计算能力的提升和算法的优化，相场法将在材料科学与工程领域发挥更为重要的作用，尤其是在解决复杂材料系统的微观组织演化问题方面。