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晶粒组织演化的元胞自动机模拟

作　者: 何东
导　师: 朱景川
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 元胞自动机晶粒长大两相组织动态再结晶生长动力学
分类号: TG111.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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引　用: 4次
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内容摘要

本文利用元胞自动机(Cellular Automata)方法系统的研究了单相晶粒的正常长大、两相晶粒粗化、动态再结晶过程;初步地研究了非均匀温度场下单相晶粒长大和动态再结晶过程。首先,通过引入能量最低原则,利用完善后的元胞自动机方法,建立了单相晶粒正常长大的元胞自动机模型。模拟结果表明:晶粒的拓扑结构多为5、6、7边形,且六边形晶粒所占比例最大;晶粒多为等轴状,交点为三边交点,交角大约为120度,与实际晶粒组织十分相似;在模拟的过程中存在两种基本拓扑变换;晶粒的生长主要通过大晶粒不断吞噬其周围的小晶粒和边数较多的晶粒吞噬边数较小的晶粒来实现。模拟结果得出晶粒正常生长的生长指数n=0.472,与理论值n=0.5较为接近。研究了温度对晶粒长大的影响,发现温度对晶粒长大速度有一定的影响,但对生长指数的影响不大。利用晶粒正常长大的元胞自动机模型,模拟了TA15合金在1050℃保温时晶粒长大过程。模拟结果得出晶粒生长指数n=0.481,与实验求得的n=0.4876非常接近;通过标定初始元胞尺寸,对比了模拟和实验过程中晶粒平均直径变化,二者吻合较好。引入温度变量,将单相晶粒正常长大的元胞自动机模型应用到了非均匀温度场的情况。初步研究了非均匀温度场中晶粒的生长演化规律,揭示了不同温度区域晶粒形核、长大的过程。通过取向数的大小区分两相,建立两相晶粒组织生长的元胞自动机模型。研究了两相晶粒长大粗化规律:当两相初始含量相当时,两相晶粒相互影响,各自晶粒长大速度较为缓慢;当其中一相含量相对较多时,含量较少一相的晶粒表现出对另一相晶粒长大的“钉扎”作用;当其中一相含量远多于另一相时,较少含量的晶粒基本无法长大。分析热变形过程中的位错密度变化,通过建立位错密度模型、形核模型、晶粒长大模型、回复模型,实现了动态再结晶过程的元胞自动机模拟。利用该模型可以很好的模拟动态再结晶过程及微观组织的演化,模拟得到的Avrami曲线符合动态再结晶的动力学规律;研究了应变速率对动态再结晶过程的影响:当应变量一定且较小时,应变速率越大,平均晶粒尺寸越小,动态再结晶的转变分数也越小,即动态再结晶越不充分。通过修改和完善与温度相关的形核和晶粒生长模型,初步研究了非均匀温度场下动态再结晶过程。结果表明:低温区再结晶形核较早,晶粒生长速度较慢,最终晶粒较为细小。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第1章绪论  11-28
  1.1 材料的计算机模拟方法  11-15
    1.1.1 概述  11
    1.1.2 模拟方法的分类及特点  11-15
  1.2 元胞自动机方法  15-23
    1.2.1 元胞自动机方法的引例  15-16
    1.2.2 元胞自动机方法的定义  16-17
    1.2.3 元胞自动机的基本构成  17-21
    1.2.4 元胞自动机法的主要应用  21
    1.2.5 元胞自动机方法与蒙特卡罗方法的区别  21-22
    1.2.6 元胞自动机发展概况  22-23
  1.3 钛合金的组织性能  23-26
    1.3.1 金属钛的性质  23-24
    1.3.2 钛合金的分类及其组织性能  24-26
  1.4 本文研究目的及主要内容  26-28
第2章材料与研究方法  28-47
  2.1 材料体系  28-29
  2.2 实验方法  29
    2.2.1 β单相区晶粒长大实验  29
    2.2.2 晶粒长大组织观察与表征  29
  2.3 模拟方法与编程语言  29-30
  2.4 晶粒组织演化的元胞自动机建模过程  30-35
    2.4.1 元胞取向数的设定  31-32
    2.4.2 离散化  32-33
    2.4.3 初始化  33-34
    2.4.4 元胞的选取与参数的设定  34
    2.4.5 演化规则的确定及模型的建立  34-35
  2.5 晶粒组织演化元胞自动机模型的优化  35-40
    2.5.1 晶界元胞识别算法的优化  35-38
    2.5.2 最邻近元胞数目选取的优化  38-39
    2.5.3 周期性边界条件的应用  39-40
  2.6 模拟结果的可视化方法  40-44
    2.6.1 二维空间模拟的可视化  40-42
    2.6.2 三维空间模拟的可视化  42-44
  2.7 模拟结果的分析方法  44-46
    2.7.1 晶粒数的统计  44
    2.7.2 晶粒尺寸的统计  44-45
    2.7.3 晶粒边数的统计  45-46
  2.8 本章小结  46-47
第3章单相晶粒正常长大过程的CA模拟  47-72
  3.1 物理过程与机制分析  47-51
    3.1.1 晶界稳定条件  47-48
    3.1.2 晶界的热激活迁移  48-50
    3.1.3 晶粒长大的动力学  50-51
  3.2 单相晶粒正常长大CA模型  51-53
    3.2.1 基本参数的设定  51
    3.2.2 晶界原子迁移模型  51
    3.2.3 晶粒生长速度模型  51-52
    3.2.4 晶界能量模型  52-53
  3.3 模拟实施与结果分析  53-64
    3.3.1 模拟主程序流程图  53
    3.3.2 晶粒生长演化过程  53-58
    3.3.3 晶粒拓扑结构的变化  58-59
    3.3.4 晶粒形貌及分布  59-62
    3.3.5 晶粒生长指数  62-64
  3.4 温度对晶粒长大过程的影响  64-66
  3.5 非均匀温度场单相晶粒正常长大模拟  66-68
    3.5.1 温度场的引入  66-67
    3.5.2 模拟结果的可视化  67-68
  3.6 TA15 钛合金β单相晶粒生长模拟  68-70
  3.7 本章小结  70-72
第4章两相区晶粒粗化过程的CA模拟  72-81
  4.1 物理过程与机制分析  72-73
  4.2 双相晶粒正常长大的CA模型  73-74
  4.3 模拟的实施与结果分析  74-80
    4.3.1 α相体积分数为5096的双相合金体系模拟  74-77
    4.3.2 α相体积分数为4096的双相合金体系模拟  77-80
  4.4 本章小结  80-81
第5章动态再结晶过程的CA模拟  81-106
  5.1 物理过程与机制分析  81-89
    5.1.1 再结晶现象  81
    5.1.2 再结晶过程的组织演变  81-82
    5.1.3 动态回复过程  82-83
    5.1.4 动态再结晶理论  83-87
    5.1.5 再结晶动力学规律  87-89
  5.2 动态再结晶过程的CA模型  89-93
    5.2.1 模型的前提假设  89
    5.2.2 位错密度模型  89-90
    5.2.3 动态回复模型  90-91
    5.2.4 再结晶形核模型  91-92
    5.2.5 再结晶长大模型  92-93
  5.3 模拟的实施与结果分析  93-101
    5.3.1 模拟的初始输入  93
    5.3.2 模拟程序流程图  93-94
    5.3.3 模拟结果及分析  94-101
  5.4 非均匀温度场的动态再结晶模拟  101-105
    5.4.1 温度场的引入  101-102
    5.4.2 模拟结果及分析  102-105
  5.5 本章小结  105-106
结论  106-107
参考文献  107-112
致谢  112

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