本文采用相场方法,研究了梯度场下晶粒和析出相演变过程。基于金兹堡-朗道(Ginzburg-Landau)相变理论,推导出了适用于温度梯度场下晶粒演变、低体积分数相析出和浓度梯度场下析出相演变相场模型。采用两组空间矢量分别表示原始晶粒和再结晶晶粒,通过唯象参数耦合温度场,建立温度梯度场下晶粒演变相场模型,实现了均匀温度场和梯度温度场下晶粒演变数值模拟。结果表明,再结晶体积分数随唯象参数αa的减小而增加;平均晶粒尺寸随梯度能系数κb的增大而增大。17-4PH钢循环热处理后,平均晶粒尺寸随着循环次数的增加而逐渐减小。17-4PH钢激光表面淬火后,在试样表面层形成梯度晶粒。对循环保温与激光表面淬火晶粒演变进行了模拟,模拟结果与试验结果一致。基于Cahn-Hilliard方程,修正局域自由能函数中浓度场变量的最高幂次,展宽析出相的体积分数范围,建立了低体积分数相析出过程相场模型。在模型中,耦合晶粒空间矢量平方和的幂指数项(∑ηi2)μ,考虑了晶界对相析出过程的影响。实现了溶质体积分数低于5%的低体积分数相析出数值模拟。结果表明,晶粒空间矢量平方和的幂指数项决定了第二相在晶界晶内析出的比例,晶内析出相的比例随μ值的减小而增加,析出相尺寸取决于浓度场梯度能系数κφ;μ= 1或较大κφ时,析出相集中于晶界上。20钢和A3钢560°C等离子体稀土氮碳共渗表明,γ′相呈梯度分布,表面针状γ′相多而长,沿共渗层γ′相逐渐减少而且变短。耦合体自由能、界面能和弹性应变能,建立了浓度梯度场下析出相演变相场模型。对平行共渗表面和沿共渗层中γ′相析出过程进行了数值模拟,模拟结果与试验结果基本吻合。