晶粒拓扑学的实验和仿真研究

采用系列截面法获取了纯铁晶粒组织的拓扑学数据,同时结合正常晶粒长大的Monte Carlo仿真,对三维晶粒拓扑学进行了研究.结果表明:纯铁的平均晶粒面数＜F＞=12.46,有别于其他金属(如β-Ti合金、Al-Sn合金、β-黄铜、低碳钢等);实验数据值之间的差异(＜F＞=1 1.16～13.93),表明不同材料中的不同界面能和晶界迁移率对多晶组织演变过程具有重要影响;在晶粒面数分布和尺寸分布方面,Monte Carlo仿真数据与纯铁数据相一致,与文献中Al98Sn2合金的数据有明显差异,表明晶界析出物(Sn原子在Al98Sn2晶界析出)对晶粒尺寸分布和面数分布有一定影响.     

晶粒尺寸分布对纯铁拉伸性能的影响

研究了纯铁晶粒尺寸分布对单轴拉伸条件下强度及流变应力的影响。结果表明:Hall-Petch关系式中的晶粒尺寸参量取塑性变形实际涉及的尺寸,比取平均晶粒尺寸更合理。前者的值又同时依赖于多晶体的晶粒尺寸分布的两个数字特征,即均值(平均晶粒尺寸)和变异系数(尺寸分布宽度)。在本实验条件下,尺寸分布宽度的影响可达2～5kgf/mm~2。     

纯铁退火组织中特大晶粒三维拓扑与取向特征的定量研究

联合采用系列截面法和EBSD技术对含有特大晶粒的工业纯铁退火组织进行了三维重建和定量表征研究,重点分析了特大晶粒与普通晶粒之间的差异。三维重构的纯铁样品尺度为1920 μm×1219 μm×720 μm,包含12354个晶粒(其中有5个完整特大晶粒)。与以往三维重建的无晶体学取向信息的晶粒组织不同,本文三维重建的晶粒组织同时含有晶粒的三维几何形态信息和晶体学取向信息。研究结果表明,所研究的特大晶粒具有的界面个数为128~669(即最大晶粒同时具有高达669个邻接晶粒),其与相邻晶粒之间的平均取向差以及位于40°~55°区间的晶粒取向差明显大于普通晶粒之间的取向差。     

不同电极排列方式下纯铁薄膜晶粒的生长行为

采用电沉积方法在冷轧过的黄铜片表面制备了纯铁薄膜,并通过改变电极的排列方式来探究纯铁薄膜的生长关系。 利用 X 射线衍射仪对纯铁薄膜进行宏观织构的检测;利用热场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)观察电沉积纯铁薄膜的岛状生长结构;利用扫描电镜自带的 Oxford Nordlys Nano 软件对纯铁薄膜的取向进行分析。 结果表明:当电极采用平行排列方式时,晶粒呈现由小长到大的趋势,且有明显的择优取向,生长速率缓慢,呈抛物线模式生长;当电极采用垂直排列方式时,晶粒大小基本不随时间变化,没有明显的择优取向,但生长速率较快,也呈抛物线模式生长。     

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。     

扩散界面场变量模型模拟晶粒长大过程

采用扩散界面场变量模型模拟二维晶粒长大的动力学过程，利用该模型可以避免常规方法中由于格点离散化带来的晶粒长大各向异性，并通过建立晶界能与梯度能量系数间的关系模拟得到了异常晶粒长大过程的微观组织演化图模拟结果得出的晶粒形态、动力学和拓扑学结构特征等与已有的实验结果和理论分析一致．     

纯铁三维显微组织的尺寸和拓扑特征

采用系列截面法实验,对工业纯铁退火的显微组织进行了三维重构,测量了三维晶粒的尺寸和拓扑特征。结果表明,三维晶粒的体积分布呈单调递减趋势,而晶粒的表面积分布在S/=0.2左右出现峰值。纯铁晶粒的尺寸分布的峰值明显低于相场法、表面演化法、Monte Carlo等仿真组织的晶粒尺寸分布,该结果充分表明了实际金属组织与仿真组织的区别,由于各向异性、第二相粒子等实际条件的影响,实际金属材料的晶粒尺寸分布相对于理想的仿真组织具有复杂性。此外,本文开发的三维晶粒重建可视化程序能够较好的重现金属晶粒的几何形貌以及相互之间的空间位置关系,晶粒界面清晰。     

晶粒生长拓扑学的相场法模拟

基于金兹堡-朗道理论,采用连续相场模型,研究了晶粒生长的拓扑学。结果表明,晶粒生长过程中存在两种拓扑转变机制,即近邻切换机制和晶粒消失机制;发现三边晶粒、四边晶粒、五边晶粒直接消失以及晶粒近邻切换现象,符合经典拓扑公式和欧拉公式,模拟结果与实验结果吻合。研究还发现了新的拓扑转变机制,四叉点直接分离,这种拓扑转变与经典欧拉公式存在差异。     

水热法制备纳米氧化锆煅烧过程中晶粒生长特性研究

对水热法制备的纳米氧化锆在不同温度和保温时间条件下进行了煅烧,采用X射线结合全谱模型方法分析了晶粒尺寸和晶粒尺寸分布的变化。结果表明,当煅烧温度在300℃时,纳米氧化锆晶粒开始生长并伴随着晶粒尺寸分布宽化。纳米氧化锆的晶粒生长速率及晶粒尺寸分布与煅烧温度和保温时间有关。根据分析结果,计算了晶粒生长指数和晶粒生长活化能。讨论了晶粒生长机理,晶粒旋转合并是纳米氧化锆晶粒生长的主要方式。     

半固态LY11铝合金的组织演变研究

对LY11合金的应变诱发熔化激活法(SIMA)制备工艺进行了研究，定量分析了变形量(ε)、等温温度(Ti)、保温时间(t)等工艺参数和预处理技术对晶粒尺寸、分形维数和晶粒尺寸分布等的影响，讨论了晶粒的大小、形状、尺寸分布的演变规律。结果表明：变形量对晶粒大小、形状的变化影响极大，要获得细小、近球形的晶粒需足够的变形程度；升高等温温度和延长保温时间会促使晶粒长大、球化；所有试样的晶粒尺寸呈正态分布，随着变形量的减小、等温温度的升高和保温时间的延长，峰值点附近晶粒的数目逐渐减小，尺寸逐渐增加；冷、热变形预处理条件对组织演变产生一定的影响，给试样施加变形是SIMA工艺的必要步骤。     

基于晶粒长大拓扑依赖性的准稳态三维晶粒尺寸分布

基于三维个体晶粒表面积的变化率与晶粒拓扑性质之间的定量关系和晶粒尺寸一面数关系的假设，推导了一个拓扑相关的个体晶粒长大速率方程．该方程表明，个体晶粒的尺寸变化率不仅与其自身尺寸有关，而且也与拓扑特征有关．在此基础上，借鉴最新的关于粒子粗化理论中的晶粒长大连续方程，对三维晶粒长大过程准稳态阶段的晶粒尺寸分布进行了求解．结果显示，所得准稳态三维晶粒尺寸分布是一个单参数函数族．该结论得到了顶点法、基元演化法、相场模型和Monte Carlo法这4种晶粒长大仿真方法所得三维准稳态晶粒尺寸分布数据的支持．     

金属结晶晶粒数及冷却速度和润湿角影响分析

从形核理论出发,建立了金属结晶晶粒数的一般方程,利用VB编出的程序计算方程,并以Zn-5%Al合金为例对方程在不同冷却速度和润湿角因子下进行了计算分析。结果表明,金属确定后,当润湿角因子不变,晶粒数随着冷却速度的增大而增大,基本呈线性正比关系;当金属液在同一冷却速度下冷却时,晶粒数随着润湿角因子的增大而减小,晶粒数与润湿角因子基本呈以自然对数为底的负指数关系。     

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。     

球磨纯铁中纳米铁素体的退火行为

通过形貌观察和硬度测试研究了球磨纯铁中纳米铁素体的退火行为，观察到球磨制备的纳米铁素具有相对较高的热稳定性，在高温退火的条件下，纳米铁素体区域内出现了一些具有不规则晶界结构的大晶粒，分析表明，纳米铁素体的晶粒长大是通过邻近晶粒的聚合而完成的。显微硬度测试表明，纳米铁素体的硬度随着退火温度的升高而降低，然而在相同的退火条件下，纳米铁素体区的硬度仍然明显高于加工硬化区的硬度，这主要是因为纳米铁素体区的晶粒尺寸比较小以及退火时晶粒长大速率相对缓慢所致。     

粗晶DT4纯铁晶粒细化工艺研究

纯铁晶粒一般非常大,通过大塑性变形后加热到再结晶温度可以实现晶粒细化。通过室温自由锻和等通道挤压(ECAP)实现了DT4纯铁的大塑性变形,将粗大不均匀晶粒破碎成微细亚结构,再经完全再结晶处理使DT4晶粒细化,晶粒度由原材料1级(晶粒直径约254μm)细化至8.5级(约18.9μm)。力学性能研究表明,细晶纯铁力学性能与粗晶纯铁的接近,晶粒细化对纯铁强化作用不明显。     

晶粒长大过程中1种自相似态的仿真实验验证

采用Potts Monte Carlo方法对正常晶粒长大过程进行了仿真,并实现了晶粒的准稳态长大。仿真结果显示,准稳态晶粒长大阶段的尺寸分布不是经典Hillert理论预测的Hillert(v=4)分布,却可以用Weibull函数来描述或由v<4的解析函数来表征。其中v为晶粒尺寸分布因子。本研究的Monte Carlo仿真结果证实了v<4的准稳态晶粒尺寸分布的存在。     

不同初始组织的3D晶粒长大仿真及其准稳态分布研究

设计了晶粒尺寸分别呈β=2.96与β=3.47的Weibull分布的2种3D初始晶粒组织,采用Pons模型Monte Carlo改进算法进行了界面曲率驱动的3D晶粒长大过程的仿真研究.晶粒仿真长大过程遵循抛物线长大规律,且晶粒生长指数非常接近于理论值0.5.仿真结果表明:源于2种初始组织所得准稳态晶粒尺寸均趋于β=2.80±0.03的同种Weibull分布,准稳态晶粒面数则均呈对数正态分布.进一步分析发现,刘国权及其合作者近年来基于不同长大速率理论模型导出的两类3D准稳态晶粒尺寸分布函数与本文仿真实验所得数据相互吻合.     

基于金属热成形过程的晶粒粗化现象数值模拟

晶粒粗化是发生在材料热成形过程中的一种典型的组织演变现象.晶粒粗化可以显著影响材料的力学性能及后续变形特性.采用元胞自动机算法(Cellular Automaton,CA)模拟了晶粒粗化现象,模拟了晶粒粗化过程中粗化动力学、拓扑学及形态学的演化,并研究了温度及时间对粗化过程的影响.模拟结果显示,晶粒的粗化指数为0.5;在粗化过程中,六边形的晶粒占的比例最大,其次为五边形和七边形,而晶粒边数为3或10的晶粒所占比例很低,约为5％左右;组织形态演化表明,随着保温时间的增加或温度的升高,晶粒平均尺寸增大.模拟结果与相关文献中的结论相同.     

静态再结晶过程的元胞自动机模拟（Ⅱ）——晶粒尺寸和边数的变化

根据元胞自动机的模拟结果,研究了静态再结晶过程中晶粒尺寸和晶粒边数的变化情况及分布规律。结果表明：在整个再结晶过程中,单个形变晶粒的消失速度和单个再结晶晶粒的生长速度呈现随机性;但品粒的平均直径随着时间先明显减小后小幅增加;虽然晶粒的尺寸分布不均,但此再结晶过程不会形成超大尺寸的晶粒。再结晶完成时,形变量越大,晶粒平均直径越小;晶粒边数的分布呈现正态分布的特征。本研究进一步加深了对再结晶过程的认识。     

两种初始晶粒组织演变及准稳态的仿真研究

设计两种可由不同参量的Weibull尺寸分布函数表达的晶粒组织作为初始态,采用Potts Monte Carlo方法对它们进行晶粒长大过程的仿真,结果表明,进入准稳态长大阶段后,两种组织的晶粒尺寸分布几乎同趋于另一种Weibull分布,而不是经典Hillert理论预测的Hillert(尺寸分布因子v=4)分布,该准稳态的晶粒尺寸分布也可用v<4的解析函数近似表示,从而为v<4的准稳态晶粒尺寸分布的存在提供了仿真实验证据。