二元合金三维枝晶生长的相场法数值模拟

三维枝晶生长相场法模拟由于计算量巨大,同时无法证明微观可解理论是否适用于三维相场模型,因此,对该领域的研究相对较少且进展缓慢.基于耦合温度场与溶质场的相场模型,设计基于动态计算区域的加速算法求解相场模型,以Ni-Cu二元合金的三维模拟计算为例对加速算法进行验证,成功实现了单机上难以实现的三维枝晶生长过程的模拟计算.计算结果表明,模拟计算真实地再现了二元合金三维凝固过程中树枝晶的生长过程,并得到了与结晶理论相一致的枝晶生长规律.加速算法可大大减小计算时间,降低计算模拟对计算机硬件的依赖性,加速效果明显,冗余量小,精确度高,模拟结果更接近工程实际.     

酸性环境中的铝锂合金腐蚀行为及其元胞自动机模拟

为研究储罐材料与液体推进剂的相容性问题,使用电化学试验和全浸试验探究了2195-T8铝锂合金在HNO3中的腐蚀机理,并基于元胞自动机法对其腐蚀历程进行仿真.研究结果表明:合金在质量分数30％的HNO3中的腐蚀最快;腐蚀初期主要发生点蚀,随后逐渐形成剥落腐蚀.拟合的等效电路反映合金在HNO3中的动力学过程,解释了电化学阻...     

BT25钛合金动态再结晶行为的元胞自动机模拟

为研究热加工工艺参数对钛合金塑性成形过程中微观组织的影响,利用Gleeble-3500型热模拟试验机对BT25钛合金进行单道次等温恒应变压缩试验。分析真应力-应变曲线,建立JMAK动态再结晶动力学方程;通过对热变形行为的分析,推导出钛合金的位错密度模型、再结晶形核和晶粒长大模型;结合元胞自动机的算法,建立元胞自动机(Cellular automata, CA)模型并利用该模型模拟和验证了BT25钛合金热变形过程中动态再结晶行为。结果表明,BT25钛合金的流动应力对应变速率和变形温度非常敏感;提高变形温度或降低应变速率均有利于材料发生动态再结晶;CA模型模拟晶粒尺寸误差约为3%,预测DRX体积分数误差在10%以内。该模型具有良好的预测精度,为合金材料在塑性加工过程中优化工艺参数和控制锻件微观组织演变提供了可靠性依据。     

考虑晶粒变形动态再结晶过程模拟的元胞自动机法

结合金属塑性成形过程的冶金学原理,给出了一种考虑动态再结晶过程晶粒变形的元胞自动机模型.考虑了晶粒变形对再结晶形核的影响,给出了一种与基元形状有关的形核概率计算方法.根据动态再结晶晶粒生长速度和与其相邻基元形状确定转变概率.采用元胞自动机模型对动态再结晶组织的演变进行了模拟,模拟结果与不考虑晶粒变形的结果进行了比较.     

基于晶界迁移率与晶界能各向异性的晶粒生长元胞自动机模拟

基于晶粒长大的理论模型,结合曲率机制与概率性转变规则,建立了晶界迁移率与晶界能各向异性条件下的二维元胞自动机模型,利用该模型对晶粒等温条件下的生长过程进行了模拟,分析了晶粒长大的组织演变与动力学特征、晶粒尺寸和晶粒边数的分布,对比了晶界迁移率各向异性、晶界能各向异性对晶粒生长的影响。结果表明:晶界迁移率与晶界能各向异性条件下晶粒形态演变遵循晶粒正常长大的规律,相对晶粒尺寸偏离正态分布,晶粒边数分布不具有时间不变性特点,小角度取向差三叉晶界平衡角偏离120°;与各向同性相比,晶界迁移率与晶界能各向异性条件下晶粒的生长速率明显减慢,单独考虑晶界迁移率各向异性对晶粒生长的影响不大,晶界能各向异性对晶粒生长的影响大于晶界迁移率各向异性的影响;模拟结果符合晶粒生长动力学理论和相关文献的结论。     

元胞自动机方法模拟再结晶过程的建模

建立了模拟再结晶过程的二维元胞自动机模型,并且介绍了微观组织的显示方法,以MATLAB为平台进行程序的编制。模型采用位置过饱和形核与恒定速率形核两种形核方式,研究了不同算法下再结晶过程的动力学。结果表明：网格规模与邻居关系对再结晶动力学的Avrimi指数n几乎没有影响;采用交替Moore型邻居关系得到的最终组织与真实组织更加接近;位置过饱和形核得到的再结晶晶粒尺寸比恒定速率形核的晶粒尺寸更均匀。     

Lattice Boltzmann方法在枝晶生长模拟中的应用

将模拟流场和浓度场的Lattice Boltzmann方法(LBM)和一个模拟枝晶生长的改进cellular automaton(MCA)模型相耦合,模拟了合金凝固过程中单枝晶在纯扩散和存在对流两种条件下的生长行为.结果表明:在纯扩散条件下,枝晶呈现对称生长形貌;但存在对流时,枝晶的生长在上游方向得到促进,而在下游方向受到抑制,形成了非对称的枝晶生长形貌.模拟的纯扩散和对流枝晶形貌与前期的MCA-传输模型的模拟结果吻合较好.     

微观组织演变元胞自动机模拟研究进展

金属的微观组织是决定其宏观力学性能的主要因素,在热塑性变形过程中,金属的微观组织会发生动态回复、动态再结晶、静态回复和静态再结晶等一系列变化,形成新的晶粒。在材料成分一定的条件下,影响晶粒演化的外部因素是温度、应变和应变速率。因此,如何通过控制热塑性变形过程中的温度、变形量和变形速度,来达到控制微观组织及产品力学性能的目的,已成为塑性加工领域的热点研究问题,在非连续热塑性变形中尤其如此,乃至于成性的重要性远大于成形。简述元胞自动机(Cellular automata,CA)方法的基本原理及思想,概述CA法在微观组织模拟中的建模方法及应用,特别是CA法在静态再结晶,动态再结晶过程中模拟晶粒生长的研究进展。同时,指出目前研究中存在的亟须解决的几个问题,展望CA法模拟微观组织演变的发展趋势。     

动态再结晶过程的定量化可视化元胞自动机模拟

以热加工过程的金属学理论为基础,将金属的宏观热塑变形参数和内部能量状态引入以正六边形为基元的元胞自动机仿真方法,建立定量化、可视化的动态再结晶二维元胞自动机模型。模型中充分考虑了形核率、临界形核位错密度、位错密度增长以及再结晶晶粒长大驱动力和内部能量状态等多方面因素,可模拟加工硬化、动态回复、形核以及再结晶晶粒长大等一系列过程。利用该模型以纯铜为例对不同温度、不同应变速度下的动态再结晶过程进行模拟,再现动态再结晶形核、晶粒长大的微观组织演变过程,定量分析动态再结晶的动力学特征,并在该模型的基础上分析应变速率对动态再结晶过程以及再结晶晶粒尺寸的影响。模拟结果与相同热变形条件下的纯铜试验结果基本吻合。     

多边形邻域元胞自动机

介绍一种利用元胞自动机思想求解二维弹性力学问题的方法。该算法将问题求解域离散成随机分布的场节点,每个场节点被定义为一个元胞,而其位移则为元胞的状态量。算法规定,每一个元胞都有一个多边形的邻域,此邻域内包含其它元胞。借助于有限元插值思想,算法建立了任意一个元胞状态量和相邻元胞状态量的关系,将二维弹性力学问题的求解转化为元胞状态量的演化。本研究中的演化规则考虑了遗传因素,演化过程具有并行性,因此可提高计算效率。通过随机分布点建立的元胞自动机是一种无网格算法,但在二维问题边界附近可以与有限元网格无缝连接,因此在固体力学计算中具有较好的应用前景。数值算例验证了算法的合理性和可行性。     

采用Cellular Automaton法模拟铝合金的微观组织

采用Cellular Automaton微观模型,并与宏观的传热计算相结合,对砂型铸造铝合金铸件的凝固组织形成进行了模拟。在模拟过程中,采用连续形核的方法处理液态金属的异质形核现象。通过高斯分布函数描述表核质点密度随温度的分布关系,在给定过冷度时对分布函数求积分可得该时刻的形核密度。晶粒生长模型则考虑枝晶尖端生长动力学和择优生长方向（100）晶向,模拟计算结果表明,在冷却速度不变的情况下,随着形核分布参数△TN增加,所得到的晶粒尺寸增大。从数学角度对模拟结果进行了分析。     

基于非均匀储存能场的低碳钢静态再结晶CA模拟

采用元胞自动机方法,基于亚晶异常长大形核机制,在非均匀储存能场条件下,建立了低碳钢静态再结晶模型,并模拟了不同变形条件下的静态再结晶过程。结果表明:储存能越大,再结晶临界形核半径越小;变形程度较小时,再结晶晶核优先在晶界和小晶粒处形成;随着变形程度的增大,再结晶晶核的分布趋于均匀,孕育期及再结晶时间缩短,再结晶完成时晶粒较为细小;模拟结果与试验结果一致。     

相场法模拟枝晶生长

基于Tong提出的耦合流场、温度场、噪音场的相场模型,发展了一个单相场控制的多个晶粒生长模型,对对流作用下的枝晶的非对称生长进行了模拟研究,考虑了枝晶的择优生长方向,应用该模型模拟了纯金属镍单枝晶和多枝晶在流体作用下的生长规律。模拟结果表明。金属液对流对枝晶生长形貌产生重要的影响,该模型能够较真实地再现凝固过程的枝晶生长过程。