晶粒長大微觀組織演化過程的元胞自動機(jī)模擬.pdf

1、多晶材料晶粒長大是材料研究中的一個重要方向。材料的微觀組織直接影響材料的宏觀行為，在實際應(yīng)用中，了解材料微觀組織的演變規(guī)律對材料顯微組織的控制具有重要意義。本文通過元胞自動機(jī)(CA)法研究了晶粒長大過程中組織演化過程，基于模擬結(jié)果，探討了晶粒長大動力學(xué)、晶粒相貌、拓?fù)鋵W(xué)關(guān)系及動態(tài)再結(jié)晶過程，模擬結(jié)果表明:所建立的CA模型能準(zhǔn)確地反映正常晶粒長大規(guī)律、晶粒拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化及動態(tài)再結(jié)晶過程中晶粒組織演化過程，可以為實際應(yīng)用中材料的晶粒長大控制提

2、供一定指導(dǎo)作用。
　　首先，根據(jù)晶粒長大的物理機(jī)制，在模擬退火算法基礎(chǔ)上結(jié)合熱力學(xué)能量起伏概率性機(jī)制，建立了二維正常晶粒長大的CA模型。使用Fortran語言編寫了CA程序，對等溫退火條件下晶粒長大過程進(jìn)行了模擬，通過數(shù)值模擬結(jié)果的可視化，得到了不同模擬時間段的晶粒顯微組織圖，從而可以更直觀地觀察晶粒組織演化過程。
　　其次，編寫了晶粒尺寸、晶粒個數(shù)、晶粒邊數(shù)等統(tǒng)計算法程序，對模擬結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，在二維空間

3、，晶粒長大初期階段的晶粒長大指數(shù)要略高于穩(wěn)態(tài)階段的晶粒長大指數(shù)，穩(wěn)態(tài)階段晶粒長大指數(shù)n=0.41345;相對晶粒尺寸分布服從對數(shù)正態(tài)分布，相對晶粒尺寸和晶粒邊數(shù)分布表現(xiàn)出良好的自相似性，并闡述了自適應(yīng)性的原因。通過研究晶粒邊數(shù)與其相鄰晶粒的平均邊數(shù)之間的關(guān)系，驗證了晶粒與其相鄰晶粒之間的拓?fù)潢P(guān)系滿足Aboav-Weaire law，得到了Aboav-Weaire law的α參數(shù)為1.03291、μ2參數(shù)為1.8240。為了研究CA法模擬

4、的高效性，建立了晶粒長大的相場模型，定量分析了兩種模型模擬效率。結(jié)果表明，CA法具有極高的時間效率，適合于大尺度的計算模擬。
　　然后，建立了三維空間的晶粒長大CA模型，研究了三維空間晶粒長大現(xiàn)象，得到了三維晶粒組織的演化過程。通過截面法，截取三維空間不同的截面，研究了晶粒長大規(guī)律。從晶粒長大動力學(xué)曲線分析，CA模型模擬得到的三維空間晶粒生長比二維空間更穩(wěn)定。相對晶粒尺寸分布服從對數(shù)正態(tài)分布，晶粒尺寸和晶粒邊數(shù)分布表現(xiàn)出良好的時間

5、自相似性。
　　最后，根據(jù)熱變形過程中位錯密度的演化過程、新晶粒的形核、再結(jié)晶晶粒長大的物理機(jī)制，建立了動態(tài)再結(jié)晶組織演化過程的CA模型。利用熱模擬試驗機(jī)對材料進(jìn)行等溫壓縮得到的材料參數(shù)，采用本文建立的CA模型模擬了動態(tài)再結(jié)晶組織演化過程，得到了動態(tài)再結(jié)晶組織演化圖及流變應(yīng)力曲線，模擬結(jié)果與實驗符合較好。
　　由此建立的CA模型能全面反應(yīng)正常晶粒長大的各種現(xiàn)象，能夠有效地對材料的微觀組織及力學(xué)性能做出定量的預(yù)測，可以為晶粒長