基于数学模型的焊接过程中热影响区晶粒长大行为分析

在能量和曲率的基础上,建立了晶粒长大的能量-曲率驱动的元胞自动机模型。该模型能够准确建立晶粒生长过程中晶粒尺寸和时间、生长速率和温度、生长速度和曲率之间的关系,还能反映晶粒尺寸分布的时间不变性规律。建立了元胞自动机和实际时间的转变公式,实现了元胞自动机对现实时间中焊接热影响区的晶粒长大进行模拟。结果表明,模拟结果与热影响区晶粒的理论分布规律十分吻合。     

300M钢保温过程晶粒长大的元胞自动机模拟

基于热激活机制、曲率驱动机制和能量耗散机制,建立了模拟300M钢晶粒长大的元胞自动机模型。分析了平均晶粒尺寸、相对晶粒尺寸分布和晶粒拓扑结构,发现晶粒尺寸随着时间的增加而增大,速率逐渐减缓;相对晶粒尺寸分布符合对数正态分布规律;六边形晶粒出现的频率最高。然后,通过300M钢加热保温实验,得到实际晶粒平均尺寸随保温时间和保温温度变化的规律,并与元胞自动机模拟结果对比,模拟结果平均误差为3. 7%。在此基础上,采用高温激光共聚焦显微镜原位观察300M钢连续的微观组织演变过程,结果发现,300M钢的晶粒长大是通过晶界迁移、吞噬周围小晶粒来实现。元胞自动机模拟的晶界迁移、晶粒长大过程与原位观察结果相符,说明建立的元胞自动机模型能准确模拟平均晶粒尺寸与晶粒拓扑形貌的演变。     

基于曲率驱动机制的晶粒生长元胞自动机模型

结合晶粒生长的统计分忻理论和概率性转变觇则，建立了基于曲率驱动机制的晶粒正常生长的二维元胞自动模型，该模型的一个显著特点是晶粒生长速率和晶界曲率(1／RC-1／R)之间满足线性关系，而传统的元胞自动机模型则难以满足这种线性关系模拟结果比较全面地反映了等温条件下晶粒正常生长的各种现象：平均晶粒面积与时间的关系，晶粒尺寸、晶粒边数的分布规律及其时间不变性，晶粒边数与尺寸的关系，以及晶粒生长速率与晶粒尺寸和曲率的关系等．模拟结果与晶粒生长的动力学理论预测相符合。     

基于元胞自动机的三维晶粒生长动力学研究

本文基于热力学转换机制和能量跃迁原理，采用Metropolis算法改进的元胞自动机模型，对AZ31镁合金三维晶粒长大过程进行仿真研究，并对其晶粒尺寸与晶粒长大动力学进行统计分析。仿真结果表明:采用改进转变规则后的元胞自动机模型更加接近于实际三维晶粒的正常长大过程。在模拟过程中，系统总自由能降低，不同时刻晶粒尺寸均呈现正态分布。晶粒直径与平均晶粒直径的比值R/Rm≈1.0的晶粒分布最多，满足晶粒演变最小能量准则。分析晶粒长大动力学可知，三维晶粒长大遵循晶粒演变过程中平均晶粒尺寸随时间变化的关系，晶粒长大指数为0.47941，非常接近于理论值0.5。通过实验对AZ31镁合金保温过程中晶粒尺寸变化规律进行研究，进一步验证了本文建立的三维元胞自动机模型的可靠性与准确性。     

镍基合金TIG焊接熔池及热影响区组织模拟

基于枝晶生长动力学和晶粒长大理论，采用元胞自动机法(CA)建立了焊接熔池及热影响区的微观组织演变模型. 通过有限元模型计算了TIG焊接过程的温度场分布，并利用插值算法将热循环曲线应用于CA模型，计算了镍基合金TIG焊接熔池凝固过程枝晶生长及热影响区的晶粒长大. 结果表明，焊缝边缘的晶核主要以柱状晶的形式向焊缝中心生长，其最终形貌取决于半熔化母材晶粒上的联生结晶及不同取向枝晶间的竞争生长，焊缝中心为等轴晶组织. 焊接热影响区的晶粒长大使得熔池凝固形成的柱状晶组织粗大. 模拟结果与试验结果吻合较好.     

镍基合金TIG焊接熔池及热影响区组织模拟

基于枝晶生长动力学和晶粒长大理论,采用元胞自动机法(CA)建立了焊接熔池及热影响区的微观组织演变模型.通过有限元模型计算了TIG焊接过程的温度场分布,并利用插值算法将热循环曲线应用于CA模型,计算了镍基合金TIG焊接熔池凝固过程枝晶生长及热影响区的晶粒长大.结果表明,焊缝边缘的晶核主要以柱状晶的形式向焊缝中心生长,其最终形貌取决于半熔化母材晶粒上的联生结晶及不同取向枝晶间的竞争生长,焊缝中心为等轴晶组织.焊接热影响区的晶粒长大使得熔池凝固形成的柱状晶组织粗大.模拟结果与试验结果吻合较好.     

焊缝金属凝固组织元胞自动机模拟

应用元胞自动机方法进行了焊缝金属凝固组织的模拟.所建立的焊缝凝固组织二维元胞自动机模型考虑了晶粒的概率性成核、曲率过冷、温度过冷、成分过冷、潜热的释放、溶质浓度的再分布以及焊接熔池晶粒的联生长大等影响因素.模型在统一网格下分别采用差分法计算温度和溶质的扩散,应用元胞自动机方法模拟晶粒形核及生长.模拟结果能够定性地再现焊缝金属晶粒择优取向与竞争长大机制.结果表明,元胞自动机方法较好地反映了焊缝金属凝固的特点,是焊缝凝固组织模拟的新途径.     

热挤压态纯镁晶粒长大行为的元胞自动机模拟

基于晶界迁移的热激活原子跃迁理论和曲率驱动机制建立了正常晶粒长大的随机型元胞自动机模型。模型定量追踪了元胞空间中每个离散晶界段上的曲率、晶界能和晶界迁移率,计算该晶界段的局部迁移速率并转化为元胞状态转换概率,考察了晶界能和晶界迁移率各向同性及各向异性条件下晶粒生长的拓扑演变和动力学特性。以热挤压态纯镁等温退火为例验证了模型的有效性。结果表明,所建立的元胞自动机模型能够反映晶粒长大过程中晶界能下降的总体趋势,与晶界能和晶界迁移率各向同性的理想条件相比,各向异性条件下晶粒长大指数和拓扑特征与试验结果更为接近。     

晶界能各向异性晶粒长大的计算机模拟

建立了晶界能各向异性正常晶粒长大的二维元胞自动机模型,并对等温条件下的晶粒生长进行了模拟。通过模拟,得到了不同时刻晶粒显微组织演化图,并且定量地分析了晶粒长大动力学,晶粒尺寸分布和晶粒边数分布。研究结果表明,受晶界能各向异性的影响,晶粒长大指数低于理论值,晶粒中6边形的晶粒居多,晶粒边数分布呈现时间不变性。本模型能较准确地反映正常晶粒长大规律及其动力学,为晶粒组织演化的控制提供依据。     

LZ50钢奥氏体晶粒长大的元胞自动机模拟

基于晶粒长大的热力学机制、曲率驱动机制和能量耗散机制,制定了能够反映晶粒长大物理机制的元胞转变规则,建立了模拟LZ50钢晶粒正常长大的CA模型。采用该模型模拟了高温奥氏体化晶粒正常长大过程,分析了晶粒正常长大过程CA模拟结果的形态学、动力学和拓扑学等典型特征。模拟结果较准确的反映了晶粒正常长大规律,表明CA法是一种行之有效的模拟方法。     

基于元胞自动机AZ31镁合金微观组织模型

以AZ31镁合金在热压缩过程中微观组织演变为基础,结合元胞自动机模型(CA),建立了镁合金变形过程中再结晶晶粒尺寸模型和动态再结晶百分数模型。通过对铸态AZ31镁合金在不同变形条件下的热压缩实验,推导出镁合金的位错密度模型、临界位错密度模型、形核率模型和晶粒长大模型。结合元胞自动机具体演变规则,建立元胞自动机模型,并利用应力应变曲线及晶粒大小验证元胞自动机的模拟结果,验证该模型的准确性,结合实验数据和JMAK理论,推导出再结晶晶粒尺寸模型和动态再结晶百分数模型。借助DEFORM-3D分析软件得到镁合金在变形过程中,晶粒尺寸分布的变化情况以及动态再结晶百分数分布的变化情况。     

CELLULAR AUTOMATA MODELLING OF GRAIN COARSENING DURING REHEATING AND VALIDATION WITH THE EXPERIMENTAL RESULTS

1. IntroductionG rain coarsening isthe processby w hich the m ean grain size ofan aggregate ofcrystalsincreases.A n understanding ofgrain coarsening isoffundam entalim portance forpredicting the average grain sizeand grain size distribution,w hich are dir…     

皮尔格轧制AZ31镁合金管材微观组织预测

精准预测镁合金管材在皮尔格轧制变形过程中的晶粒演变,对控制镁合金管材的最终性能具有重要参考意义,本文结合AZ31镁合金管材在皮尔格轧机上的轧制实验,建立基于动态再结晶、静态再结晶、静态回复、晶粒粗化及晶粒拓扑变形的元胞自动机模型,并借助有限元计算得出的每道次轧制结果,与元胞自动机结合起来,得到镁合金管材在轧制过程中的晶粒演变的动态特征,发现晶粒在轧制过程中产生连续再结晶并细化,并最终进行实验验证。     

应用元胞自动机模型模拟析出相对材料晶粒长大的影响

为了探讨元胞自动机(CA)方法模拟析出相粒子对材料晶粒长大过程影响的应用,在现有晶粒长大CA模型的基础上,综合应用曲率驱动机制和能量驱动机制,建立了适合于含有析出相粒子材料和具有新转变规则的晶粒长大模型,应用该模型对含有不同体积分数析出相粒子的材料晶粒长大过程进行了仿真模拟和定量分析。结果表明:所建模型能够较准确地反映析出相粒子对晶粒长大过程影响的基本规律,且更加敏感地反映了析出相粒子体积分数对晶粒长大过程的影响;随着析出相粒子体积分数的逐渐增加,晶界脱钉现象不易发生且晶粒长大指数不断减小。     

Modeling of solidification grain structure for Ti-45% Al alloy ingot by cellular automaton

A cellular automaton model for simulating grain structure formation during solidification processes of Ti45% Al(mole fraction) alloy ingot was developed, based on finite differential method for macroscopic modeling of heat transfer and a cellular automaton technique for microscopic modeling of nucleation, growth, solute redistribution and solute diffusion. The relation between the growth velocity of a dendrite tip and the local undercooling,which consists of constitutional, thermal, curvature and attachment kinetics undercooling is calculated according to the Kurz-Giovanola-Trivedi model. The effect of solidification contraction is taken into consideration. The influence of process variables upon the resultant grain structures was investigated. Special moving allocation technique was designed to minimize the computation time and memory size associated with a large number of cells. The predicted grain structures are in good agreement with the experimental results.     

单一晶粒长大过程的元胞自动机模拟

基于Moore型邻居及其相关转换准则的元胞自动机,分别对与多个晶粒相邻的单一正四边形、六边形、八边形小晶粒在晶粒长大过程中的形态变化进行模拟。结果表明：单一小晶粒形态变化规律与总体晶粒形态变化规律一致,即随着晶粒长大过程的延长,晶界边数大于6的晶粒会不断长大且边数趋于6;晶界边数小于6的晶粒则不断变小直至消失。所用模型具有较好的物理机制,可以模拟材料晶粒长大过程。