正常晶粒长大的计算机模拟（I）——晶粒长大动力学跃迁概率的改进

根据晶粒长大真实的物理过程提出了构建跃迁概率所必须满足的条件。在此基础上提出了正确考虑温度影响的跃迁概率，并采用该概率对晶粒长大过程中温度和第二相粒子含量的作用进行了模拟。模拟结果可以更真实地反映晶粒长大的物理过程，又能与已有的计算数据相容，表现出较传统概率更好的优越性。     

基于物质跃迁能垒改进正常晶粒长大的Monte Carlo模拟

在采用改进的Monte Carlo方法模拟正常晶粒的长大过程时,考虑到实际晶粒长大过程中物质状态跃迁需克服一定能垒,把跃迁能垒引入到状态跃迁概率计算中,使模拟过程所含物理意义更为明确。模拟结果表明:在各种模拟条件下得到的模拟晶粒长大指数为0.472～0.493,接近理论的晶粒长大指数(0.5)。改变模拟温度和能垒等模拟条件后,得到的晶粒形貌演变过程、晶界分布拓扑特征以及晶粒长大速率等模拟结果也均与晶粒长大动力学相关理论和实际晶粒长大规律相吻合。     

基于改进转变规则的晶粒长大CA模型

为建立一个具有更好物理基础的晶粒长大仿真模型,采用CA法,基于热力学和能量机制,提出元胞取向状态转变的二次判断方式,制定相应的转变规则,并对不同温度和材料迁移激活能条件下晶粒长大过程进行模拟研究。模拟结果较准确地反映正常晶粒长大规律以及温度和材料迁移激活能的影响规律,且得到实际观察和相关理论的验证。     

晶粒长大介观尺度Monte Carlo方法实时模拟

提出了一个用于晶粒长大Monte Carlo模拟的实时计算新模型，基于该模型以及作者已提出的“择优转换原则”、“新结点再取向转换概率公式”等改进措施构建了一个Monte Carlo实时模拟程序，用于纯铝正常晶粒长大过程实时模拟。结果表明，Monte Carlo实时模拟程序有效地模拟了纯铝晶粒长大过程；实际时间treal与模拟时间tC。呈指数关系；模拟的晶粒长大速率与实际长大速率接近。     

正常晶粒长大的计算机模拟(Ⅱ)--第二相粒子形状及取向的影响

采用改进的跃迁概率和MonteCarlo加速算法,模拟了第二相粒子不同形状及其取向对基体晶粒长大的影响.模拟结果表明:针状粒子钉轧晶界的效果好于球状粒子,但随着第二相面积分数fA的增加,晶粒平均尺寸受第二相形状的影响逐渐减小,而晶粒形态受到的影响逐渐增强;取向对基体晶粒长大没有明显影响.     

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。     

铍晶粒长大规律研究

对铍在等温热处理过程中晶粒长大规律进行了系统的研究.结果表明,伴随铍晶粒长大,铍中杂质(BeO,Be2C)在晶界聚集,对晶粒长大有阻碍作用,促使晶粒长大趋势发生改变;铍晶粒长大动力学表明:晶粒生长指数随着热处理温度的升高而减小;在热处理温度为900、1050和1200 K下的晶粒长大激活能为40985J/mol,并建立了相应的晶粒长大动力学方程.     

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。     

GCr15钢奥氏体晶粒长大规律研究

利用Gleeble-3800型热模拟试验机研究不同加热温度和保温时间下GCr15钢的奥氏体晶粒长大规律.结果表明,奥氏体晶粒随加热温度的升高呈指数关系长大,随保温时间的延长近似呈抛物线关系长大,同时晶粒平均直径与保温时间的关系符合Beck方程,温度越高,晶粒生长指数越大.在已有模型的基础上.通过对试验数据进行非线性回归得到了描述GCr15钢奥氏体晶粒长大规律的数学模型.     

20CrMnTiH钢奥氏体晶粒长大规律及有限元模拟

通过金相实验,对20Cr Mn Ti H钢在不同加热温度(850~1150℃)及保温时间(10~40 min)下的晶粒长大规律进行了研究,基于所得数据,通过回归分析建立了适用于此种材料加热与保温过程的奥氏体晶粒长大模型,并将该模型引入有限元软件对奥氏体晶粒长大行为进行数值模拟。结果表明,奥氏体晶粒尺寸随加热温度升高而增大,且长大速度越来越快,随保温时间延长而增大,且长大速度不断减缓;1000℃为20Cr Mn Ti H钢的粗化温度,T≤1000℃时,晶粒长大缓慢,T≥1000℃时,晶粒急剧长大;有限元软件成功模拟了奥氏体晶粒长大过程,模拟结果与实验结果相符。     

一种改进的晶粒长大Monte Carlo模拟方法

简要回顾了晶粒长大理论并分析了现有Monte Carlo模拟方法的不足，提出了一个“择优转换”方法，确保节点转换时晶界向其曲率中心移动，以致模拟过程更接近物理基础，避免了重新形核的发生，使模拟效率大大提高，模拟的晶粒长大指数达到0．478，已接近理论值，组织形貌和实际材料正常晶粒长大组织基本一致．     

非调质钢奥氏体晶粒长大行为研究

使用Gleebleb-1500热模拟试验机对F40MnV非调质钢在1000～1250℃进行等温保温试验,采用定量金相法计算了不同温度等温不同时间后的奥氏体晶粒尺寸。结果表明,1000℃及以下保温过程中,F40MnV钢奥氏体晶粒几乎不长大;在1000℃以上时,随着保温温度的升高和保温时间的延长,奥氏体晶粒长大显著。此外,拟合获得了F40MnV钢奥氏体晶粒的长大模型,所获得的模型可较为准确地预测奥氏体晶粒长大。     

焊接热影响区晶粒长大过程的微观组织模拟

利用蒙特卡罗方法(MC)结合焊接工艺试验，模拟了单相合金焊接热影响区(HAZ)的晶粒长大过程。文中首先应用试验方法确定了材料的晶粒长大动力学方程，在不同峰值温度和冷却速度等热输入的情况下，模拟结果再现了晶粒长大的动态过程，并体现出热钉扎效应。得出了与焊接实际过程相一致的模拟结果。为以后进行三维焊接热影响区晶粒长大模拟奠定了可靠的基础。     

焊接过程组织演变——模拟焊接热影响区晶粒长大

基于晶粒正常长大过程中的能量和曲率因素,建立了晶粒正常长大能量一曲率驱动元胞自动机二维模型.该模型能正确反映晶粒正常生长过程中平均晶粒尺寸大小与时间、晶粒生长速率与温度、晶粒生长速度与曲率等关系,以及晶粒尺寸分布时间不变性等重要规律.同时,通过建立元胞自动机时间(tCAS)与现实时间的转换关系,实现了能量一曲率驱动元胞自动机在现实时间尺度上对焊接热影响区晶粒长大过程的模拟.结果表明,模拟结果符合焊接热影响区理论晶粒分布规律.     

Cr8钢奥氏体晶粒长大规律

为了分析Cr8钢再结晶过程中加热温度和保温时间对奥氏体晶粒长大尺寸的影响,给出Cr8钢再结晶过程中奥氏体晶粒的长大规律,对Cr8钢试样在不同加热温度和不同保温时间下进行了水淬处理,并对实验结果数据进行了数据处理和线性拟合。结果表明,Cr8钢奥氏体晶粒长大尺寸随着加热温度的提高和保温时间的延长而不断增大;其晶粒长大过程可分为抑制长大阶段和自由长大阶段;在抑制长大阶段,其奥氏体晶粒尺寸与加热温度近似呈指数关系;在整个长大过程中,奥氏体晶粒尺寸与保温时间近似呈幂函数关系。利用Sellar公式对实验数据进行非线性回归分析,得到了Cr8钢奥氏体晶粒长大的数学模型。     

正常晶粒长大的遗传算法模拟

引入遗传算法模拟正常晶粒长大过程,基于正常晶粒长大动力学和能量最小原理,建立晶粒长大的对应遗传规则和能量最小的适应度函数。该算法模拟结果表明：系统的晶界总周长和系统晶界能随着遗传代数的传递不断减少,系统的热力学状态趋于稳定：在5000GAS前后阶段的晶粒长大指数”分别为0．477和0．414,与理论值0．500相近,与正常晶粒长大的动力学规律较符合;晶粒半径分布具有Weibull函数拓朴结构形式,平均晶粒边数为5．923。遗传算法可以根据实际晶粒长大过程的约束条件对遗传规则和适应度函数进行设置,因而具有良好的柔性。     

织构诱发异常晶粒长大的Monte Carlo模拟

利用欧拉角表示晶粒取向的Monte Carlo方法,模拟了异常晶粒长大过程。通过Voronoi模型产生了晶粒尺寸近似符合Lognormal分布且具有立方织构的初始组织,比较了该组织中不同织构半峰宽和体积分数对晶粒长大过程的影响。模拟结果表明:随着半峰宽变大,异常晶粒长大可能性和平均晶粒尺寸都变大;织构体积分数对异常晶粒长大的影响相对较小,只在半峰宽较小且体积分数很大时,才抑制异常晶粒长大,模拟结果与实验吻合。另外,模拟组织中平均晶粒长大速度不仅受到晶界迁移率的影响,而且受到异常晶粒长大数量的影响。     

均热过程中低碳钢奥氏体晶粒长大规律研究

通过改变均热温度和保温时间,研究低碳钢的奥氏体平均晶粒尺寸与时间的关系,及奥氏体晶粒各尺寸范围的分布规律。结果表明,随着均热温度的升高和保温时间的延长,试验钢奥氏体晶粒逐渐长大,并在1200℃以上加热,或是保温时间大于3h时出现明显粗大晶粒;在试验基础上,模拟给出了考虑升温过程中晶粒长大尺寸时,试验钢的晶粒长大模型。     

异常晶粒长大法制单晶铜或大晶粒多晶铜

采用了一种方便快捷、无杂质污染的异常晶粒长大方法,以多晶铜为原材料,获取小尺寸单晶铜/大晶粒多晶铜.利用光学显微镜观察了室温压缩之后的多晶Cu块体材料的异常晶粒长大现象,分析了异常长大的晶粒尺寸与冷变形量和退火温度的关系,以及异常晶粒长大现象与晶界形貌的关系.在能够发生异常晶粒长大的范围内,随着冷变形量的减小以及退火温度的降低,异常长大的晶粒尺寸增加.异常晶粒长大现象与小平面晶界晶粒的二维晶核长大机制以及各向异性有关.目前实验得到的最大晶粒尺寸约为5.5mm,可制得边长为2～3mm的小块单晶铜.     

FGH96合金晶粒长大规律的研究

对FGH96合金在热处理过程中晶粒长大规律进行了系统的研究。结果表明，γ’相对晶粒长大有显著阻碍作用，在低于γ’相固溶温度(1109℃)热处理时，大量未溶解的γ’相使得晶粒长大缓慢；在高于γ’相固溶温度以上时，合金为单相奥氏体组织，晶粒随温度的升高快速长大。晶粒长大动力学表明：在高于，相固溶温度以上时，晶粒生长指数随着热处理温度的升高而增加；在热处理温度为1135℃和1150℃下的晶粒长大激活能为293．4kJ／mol，晶粒长大机理为自扩散过程控制机理，并建立了相应的晶粒长大动力学方程。