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STEMS （Simulation Tools for the Evolution of Micro-Structures）是一款基于相场或晶体相场理论方法（Phase-Field / Phase-Field-Crystal Methods），模拟材料微观组织演化的软件。目前广泛应用于研究金属或多元合金凝固过程中其微观组织在纳米（1-100纳米）和微秒（1-100微秒）尺度上的演化过程，凝固压力对固体结构和子晶间的液体相造成的影响，凝固过程中的缺陷（裂纹，孔洞和合金相）生成机制，以及材料中热裂纹的生成机制等。

工作原理

相场或晶体相场理论方法具有坚实的物理基础，在数学上体现为求解一组耦合材料密度和合金浓度的偏微分方程组。STEMS基于最新的晶体相场模型，用于研究、模拟、理解和预测凝固过程中在纳米尺度发生的材料微组织演化。

优势特点

基于最新的晶体相场理论方法，由具有行业领导地位的世界著名科学家团队领衔开发。是目前唯一能够在单模型框架下研究金属和简单合金凝固过程中裂纹，孔洞和合金相形核及生长的软件。

应用案例

三-相树状突生长。固态种子(周期性区域)生长至亚稳液态(均匀的灰色区域). 蒸汽袋在高度消耗的地域成核化(黑色区域) (a) t = 100, (b) t = 4177,(c) t = 10293, (d) t = 36797, (e) 为图d)的插图. 比例尺: 20个晶格单位。模型参数 : a = 35, b = ?12.01, c = 33.5, Bx = 0.3, n0 = 0.125, r = 0.145. (见参考[3])

液体空穴作用促进高密度固态的成核化及生长。 (a)–(d) 为平均密度图。 (a) 液态池禁闭在一个低密度的固态α相。固态和液态区域分别以S和L作标记。(b) 液体的空穴作用触发高密度固态β相的成核。 (c) 高密度固态β相再进一步的生长及余下气包的相随的变形。 (d) 接近模拟的最后阶段二次成核成化发生在气包的左边。 (e) 图(d) 的溶质浓度分布图。右边的色条为浓度尺。 (f) 微观PFC有序参数(密度)场显示在图(d)的小图里三相区域中的不同固体结构。在(b)-(d)里固体中的小黑点是在固体化时产生的位错。起始设定为一分开的液态池, R = 30a 及 ρL/ρS = 0.85, cL = 0.3, 和 cS = 0.07. (见参考[4])

研发及技术服务团队

加拿大麦吉尔大学Nikolas Provatas教授团队，鸿之微科技（上海）股份有限公司

参考文献

[1] "Solidification", J. A. Dantzig and M. Rappaz, EPFL Press, 2009.

[2] "Solidification microstructures and solid-state parallels: Recent developments, future directions", M. Asta, C. Beckermann, A. Karma, W. Kurz, R. Napolitano, M. Plapp, G. Purdy, M. Rappaz, R. Trivedi, Acta Mater. 57 (2009), 941.

[3] "New Density Functional Approach for Solid-Liquid-Vapor Transitions in Pure Materials", G. Kocher and N. Provatas, Phys. Rev. Lett. 114 (2015), 155501. 

[4] "Investigating gas-phase defects formation in late-stage solidification using a novel phase-field-crystal model ", Nan Wang, Nathan Smith and Nikolas Provatas, Phys. Rev. Mater. 1 (2017), 043405.