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钢铁材料的力学性能与显微组织密不可分,在钢中添加合金元素将显著影响相变热力学与动力学,并进而决定组织形貌的演化过程。然而,对于合金元素的配分与偏聚行为,在学术界仍存有争议。本文选取铁素体相变、贝氏体相变、珠光体相变及其奥氏体化四个过程展开研究,通过构建模型模拟组织演化与元素配分、偏聚的相互关系,为钢铁材料的组织设计与性能优化提供扎实的理论基础。针对铁素体相变,在传统GEB模型基础上,分别计算了片状形貌沿长度方向、厚度方向,以及球状形貌各向同性的长大速度,并得到不同形貌组织演化过程。通过比较体系分别以片状与球状形貌进行相变的能量降低速率,阐明形貌竞争的物理本质,并将Fe-0.23C-1.86Mn合金650?C/600?C/500?C及Fe-0.38C-1.48Si合金800?C/750?C/700?C的模拟结果与实验结果进行了对比。此外,深入探究贝氏体不完全转变现象的产生原因,结合合金元素在界面内偏聚所产生的溶质拖曳效应,分析单片贝氏铁素体沿厚度方向的长大“停滞”阶段与整体动力学的相互关系。通过GEB模型衡量C在贝氏体片内过饱和度,结合位错线形核理论计算碳化物在片内部的形核率。根据上下贝氏体差异,设定临界状态相邻碳化物间距为100nm,由此得到其转变临界温度。在Fe-xC-1/2Mn及Fe-xC-1Mo合金中,发现该临界温度随合金C含量增加呈先升后降趋势,其峰值温度及相应C含量与实验观察相吻合。结合C过饱和度与γ/α界面移动速度的变化,阐述该趋势形成的物理本质。使用相场方法对Fe-0.81C二元合金中珠光体长大进行模拟,发现其动力学过程受C沿奥氏体、铁素体及相界面扩散共同作用。对Fe-0.69C-1.80Mn三元合金的模拟结果表明,在650?C的相变受C扩散控制,而在670?C则受Mn扩散控制,其间不存在明显动力学突变。此外,针对γ/α界面凹凸情况,从元素配分角度予以分析。针对珠光体奥氏体化过程,对比研究了多种Fe-C-M三元合金奥氏体化临界配分特征温度PNTT-I随珠光体相变温度及等温时间的关系,并结合Dictra模拟加以验证。对Fe-1.27C-0.36Mn-0.19Cr合金PNTT-I以上温度的模拟中发现,渗碳体溶解由相变初期的C扩散控制转为后期的M扩散控制,由此提出了PNTT-II的概念。当温度高于PNTT-II时,奥氏体化整个过程受C扩散控制,可有效避免工业上常出现的渗碳体不完全溶解现象。最后,进一步提出中锰钢热处理工艺的设计方案,对Mn配分的珠光体在PNTT-II以上奥氏体化,可得到马氏体与富Mn残余奥氏体的复相组织。