多晶材料晶粒生長格子Boltzmann模型及數(shù)值模擬.pdf

1、工程廣泛使用的諸多金屬材料都是多晶材料，其力學(xué)性能與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式（如晶粒尺寸、晶粒分布等）密切相關(guān)。研究表明材料的力學(xué)性能通常將隨著系統(tǒng)平均晶粒尺寸的減小而增加，如納米晶體金屬材料表現(xiàn)出比其相應(yīng)粗晶材料更高的強度和硬度。因此，理解晶粒的生長行為和規(guī)律對于控制材料微結(jié)構(gòu)具有重要的意義，其將為制備高強高硬的先進(jìn)材料提供理論依據(jù)。
　　在過去的幾十年里，為了預(yù)測晶粒生長的動力學(xué)行為，研究者們提出了許多晶粒生長的理論模型。然而，這些理

2、論模型只能給出平均晶粒尺寸隨時間的演化關(guān)系及多晶材料的尺寸分布等生長特征，對于復(fù)雜的晶粒生長過程（如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演化、晶界交互等）難以進(jìn)行準(zhǔn)確地描述。近年來，計算機(jī)模擬成為探索晶粒生長動力學(xué)行為及微結(jié)構(gòu)演化細(xì)節(jié)的有效工具，目前廣泛采用的晶粒生長數(shù)值模型包括波茨模型、頂點模型和相場分析模型等。然而這些模型在模擬晶粒生長的過程中仍然存在一些不足，如波茨模型中存在模擬時間和真實時間轉(zhuǎn)換困難、頂點模型則難以擴(kuò)展至三維模型、相場模型難以和多物理場進(jìn)行

3、耦合等，較難應(yīng)用于復(fù)雜晶粒生長行為的模擬分析。近年來針對反應(yīng)擴(kuò)散行為問題分析所發(fā)展起來的格子Boltzmann方法(LBM)具有理論清晰直觀、程序?qū)崿F(xiàn)容易、并行性好和邊界條件處理簡單等優(yōu)點，逐漸成為模擬晶粒生長行為的理想方法。然而目前相關(guān)研究主要集中在樹枝晶的生長研究，如在過冷熔體內(nèi)樹枝晶的晶粒生長和強制熔體對流中樹枝晶的晶粒生長等，針對單相和多相多晶體材料晶粒生長的格子Boltzmann模型和方法方面的研究較少。
　　本文主要基

4、于反應(yīng)擴(kuò)散問題分析的格子Boltzmann模型和方法，提出了晶粒生長的擴(kuò)散界面模型，對由曲率驅(qū)動的晶粒生長行為進(jìn)行模擬分析和討論，并研究了固定顆粒和溫度梯度等因素對多晶體晶粒生長行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)所提出的模型的模擬結(jié)果與相場模型給出的結(jié)果及理論結(jié)果一致。針對二維系統(tǒng)中晶粒生長的模擬結(jié)果表明在單相系統(tǒng)中晶粒生長行為遵循冪律動力學(xué)，兩相固定顆粒對晶粒生長具有明顯的阻礙作用，溫度梯度也是影響晶粒微觀分布的重要因素之一。本文提出的方法將為模擬