在新一代高性能钢铁材料的研发中,通过在热处理加工过程里发生固态相变时进行组织调控,是提高钢材综合性能的有效方法之一。奥氏体→铁素体相变是钢铁材料冷却过程中最重要的组织转变之一,铁素体晶粒尺寸和形态对钢材的力学性能有重要的影响,基于其理论意义和工业应用价值,该相变一直是材料研究领域中的重点和热点。当铁素体从过冷奥氏体中析出时,它可能会具有不同的形态,包括无定形仿晶界铁素体、块状铁素体、晶内等轴铁素体和针状魏氏铁素体等,材料的组织形态进一步地决定了钢材的各种性能。因此,系统研究奥氏体→铁素体相变的热力学和动力学,深入理解不同铁素体组织的生长行为,这对于分析钢材加工工艺与组织形态间的定量关系、设计合金成分以获得所需的综合性能,都有十分重要的意义。本文,通过建立描述奥氏体→铁素体相变的相场模型,并且考虑因生成环境各异相变主控因素的不同,系统地研究了不同类型铁素体新相的形貌特征和生长动力学行为,其中包括由动力学系数的各向异性主控的沿晶界生长铁素体、由界面能的各向异性主控的晶内形核生长铁素体及由弹性能的各向异性主控的从晶界向晶内生长魏氏铁素体。具体地:(1)模拟研究了在化学自由能和各向同性界面能的共同作用下,于晶界处发生奥氏体→铁素体相变时新相的生长动力学行为和形貌特征。在长程扩散型相变中,揭示了界面处成分满足局域平衡条件,新相生长动力学符合抛物型规律。若初始两个新相核胚同时生长,会发生相互作用,伴随着碰撞加速和碰撞富集等现象。在块状相变中,模拟再现了碳原子仅发生短程扩散行为及界面快速迁移等转变特征。此外,通过引入动力学系数的各向异性特征,计算获得的新相形如扁椭圆状,与实验结果相近,澄清了短路扩散行为是决定晶界铁素体形貌的关键因素。(2)模拟研究了在化学自由能和各向异性界面能的共同作用下,于晶内发生奥氏体→铁素体相变时新相形貌演变的动力学行为。而且,通过开展耦合各向异性界面能和各向同性相变驱动力ΔFmc的Allen-Cahn模型的计算分析,系统地讨论了各向异性收缩作用与各向同性长大作用之间的竞争行为及其对新相形貌的影响,并解释了晶内铁素体稳态形貌与Wulff之间的相似性。当ΔFmc的数量级不断增大,稳态形貌与Wulff之间存在着三种典型的相似关系:与Wulff相似地收缩、与Wulff相似地长大及与Wulff不相似地长大。即当ΔFmc→0时,稳态形貌与Wulff相似,可由与相场模型等价的界面模型推导证明;而随着ΔFmc不断增大,稳态形貌逐渐偏离Wulff,且不再相似时对应的“临界”ΔFmc值是与发生Fisher现象的临界值ΔFFisher相符的。正是由于Fe-C合金的实际相变驱动力远小于由相似向不相似转变对应的理论临界值,故模拟获得的晶内铁素体稳态形貌与Wulff相似,是界面能量最低的构型。(3)模拟研究了在化学自由能、各向同性界面能和各向异性弹性应变能的共同作用下,发生奥氏体→魏氏铁素体相变时新相的形貌特征和生长动力学行为。计算结果揭示了弹性能对新相的核胚形状、生长形貌及不同方向上的长大动力学行为都有重要影响。当体积一定时,椭圆形核胚的形核激活能最低,最易出现。在生长过程中,新相形如针状,与实验观察形貌相一致;且新相沿不同方向上的动力学特征显著不同,即沿水平方向呈抛物型增厚,而沿竖直方向呈线性伸长。这是因为,新相的侧边可视作“平直界面”的推进,增厚行为满足扩散型相变中的抛物型长大规律;而新相的顶部较快地由初始构型演变成有稳定曲率半径的尖端,使得其边缘处浓度梯度保持不变,存在着稳恒质量流。此外,随着过冷度或者过饱和度的增大,相变驱动力增加,新相伸长速度增大。