晶粒长大动力学的计算机模拟

利用元胞自动机模型研究了2维晶粒长大的动力学，模型将微观结构映射到离散的格点上进行研究；微观结构演化的研究是通过考察晶粒大小和形状随时间的变化来实现的。精确地再现了文献中理论推导的结果；研究了复杂结构下的晶粒长大动力学曲线；考察了控制参数对于晶粒长大动力学过程的影响；并具有一定的一般性，可以用于多种情况下的模拟。     

用Monte Carlo方法模拟晶粒长大

叙述了MonteCarlo(MC)模拟方法并在二维坐标中用300×300个六边形晶格点元素模拟了晶粒长大的过程,获得了晶粒长大动力学和拓扑学方面的重要信息,并计算出晶粒长大的动力学常数η=0.48.模拟结果揭示了MC方法在模拟微观组织过程中的重要作用.探讨了MC方法的特点它抓住简单性与复杂性这一主要矛盾,从局部规则出发,体现整体演变之效应,文中还概述了MC模拟方法在材料加工过程中的应用情况.     

基于元胞自动机AZ31镁合金固溶处理研究

镁合金具有导热导电性好、电磁屏蔽性能优越、与环境相容性良好等诸多优点。但是镁合金在室温下塑性较差,导致其在轧制过程中易出现裂纹从而影响其质量。为了有效提高其可塑性,在加工前往往需要对其进行固溶处理。基于此,通过金相实验,得到AZ31镁合金管材原始晶粒组织,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,建立元胞自动机模型,针对镁合金建立了三大晶粒演变规则,研究AZ31镁合金在不同温度和不同时间下晶粒演变规律与边数变化情况,最终获得晶粒均匀分布且以六边形为主的微观组织。通过晶粒长大拓扑学分析与晶粒尺寸分布统计,得出晶粒尺寸在不同温度和时间内呈正态分布,其中六边形晶粒最多;在此基础上,建立固溶情况下的晶粒长大数学模型,合理预测并控制AZ31镁合金固溶后的晶粒尺寸和最终性能,分析了晶粒长大动力学,得出镁合金生长指数为0.87,并通过实验验证了元胞自动机模型的正确性和合理性,为研究镁合金在变形过程中的晶粒演变奠定基础。     

相场方法模拟三维晶粒的长大过程

采用了周期性边界条件及各向同性的动力学相场模型对三维多晶生长的微观组织进行了模拟。结果表明：晶粒生长的平均半径符合抛物线的规律;相场仿真得到的准稳态晶粒尺寸分布形式具有相似性;同时又对晶粒的拓扑结构进行了观察：两个五边形晶粒最终分别以三边形晶粒和四边形晶粒消失。     

GH4169合金叶片挤压过程的微观组织模拟

建立了GH4169合金动态再结晶及晶粒长大的微观组织模型,利用DEFORM-3D软件对GH4169合金叶片挤压成形过程进行了微观组织模拟。研究结果表明:叶身部位的动态再结晶百分数为100%,晶粒细小且均匀,晶粒尺寸为17.1μm,较原始晶粒49.5μm小很多。并与实际挤压叶片的微观组织进行比较,模拟结果与实际叶片相接近,从而验证了此模型的准确性。     

焊接接头微观组织演化的可视化模拟

本文主要针对焊接接头微观组织演化建模及其可视化方法进行研究。采用元胞自动机模型,通过对焊接接头的微观组织晶粒生长进行模拟来分析和研究微观组织的形态学和动力学特征;通过微观组织图像人工生成技术,直观、精确地展现出微观组织演化的可视化效果。实验结果表明,经过回归分析得到的晶粒生长指数同主流的Burke经验公式相符,使用元胞自动机算法对微观组织演化进行的可视化模拟得到了令人满意的效果。     

包覆MgO对BaTiO3基陶瓷性能的影响

采用均匀沉淀法将MgO均匀地包覆在BaTiO3基陶瓷粉体表面,制备包覆MgO的BaTiO3基陶瓷复合粒子,研究了不同包覆量对BaTiO3基陶瓷的微观结构、微观形貌、介电性能、绝缘性能和击穿电压的影响。实验表明：包覆剂MgO能有效抑制晶粒长大,从而获得晶粒均匀的陶瓷,此细晶效应是由于晶界区MgO的抑制作用;MgO有助于形成“壳-芯”结构晶粒,降低并展宽BaTiO3基陶瓷的ε峰,增加电阻率和击穿电压强度。     

GH4169合金等温条件下晶粒长大数学模型研究

本文研究了GH4169合金在不同加热温度和不同保温时间下的晶粒长大规律.结果表明,晶粒尺寸随着保温时间的增加和加热温度的升高而长大.但该合金晶粒尺寸受温度影响更为显著,当温度高于1050℃时晶粒长大速度明显加快,同时计算了晶粒长大激活能,而且建立了晶粒长大模型.     

铝－镁合金退火过程中的晶粒长大与织构变化

采用ＯＤＦ织构分析方法和定量金相测量方法研究了冷轧Ａｌ—３％Ｍｇ合金材料初次再结晶后在４００℃退火时的晶粒长大及织构变化过程．实验结果表明由于织构的存在，晶粒长大动力学过程具有明显的阶段性，而这又与织构变化过程密切相关．根据晶粒长大理论模型馍拟了晶粒长大及织构变化过程，并解释了比界面能及界面迁移率的作用．     

晶粒长大过程微观组织演变Monte Carlo方法模拟

Monte Carlo模拟方法中采用了结点再取向“择优转换原则”,并用线性Turnbull动力学晶界移动速率公式概率形式确定结点取向转换概率,对晶粒长大过程进行长时间的模拟.模拟的组织变化图像与实际材料的正常晶粒长大组织完全一致;长大过程分为不稳定和稳定两个阶段,稳定阶段晶粒长大指数n达到了理论值0.5;在完整的晶粒长大过程中,晶粒尺寸分布并不具有严格的自相似性,系由不稳定长大阶段的对数正态分布(Lognormal)向稳定阶段的伽马(Gamma)分布变化.     

有第二相粒子阻碍的晶粒粗化元胞自动机模拟

采用元胞自动机算法模拟晶粒粗化过程中第二相粒子的阻碍现象。通过CA法,在考虑第二相粒子阻碍的晶粒粗化过程中模拟了其动力学、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:考虑第二相粒子,晶粒的粗化动力学指数接近3,而不是2;但是拓扑学特征与理想条件的粗化相同,即晶粒边数为6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;CA法模拟晶粒粗化过程组织形态演化表明,随着保温时间的增加或温度的升高,晶粒平均尺寸在增大。模拟结果与相关文献中的结论相同,表明了本文CA模型的可靠性。     

基于元胞自动机法的晶粒长大模拟

采用元胞自动机(Cellular Automata,简称CA)法对晶粒长大过程进行了计算机模拟和分析.模拟结果表明,CA法能够较好地模拟晶粒长大过程,所反映的晶界迁移规律及其拓扑特征符合晶粒长大的物理机制,是一种简便、有效的模拟方法.     

Grain growth kinetics of SnO<Subscript>2</Subscript> nanocrystals synthesized by precipitation method

Monodispersed spheroidal SnO₂ nanocrystals with the grain size of 8–30 nm were synthesized by the precipitation method using SnCl₄·5H₂O (stannic chloride hydrate) as raw materials. Differential scanning calorimetry/thermogravimetry (DSC/TG), X-ray diffraction (XRD) and transmission electron microscope (TEM) were used to characterize the structure of SnO₂ nanocrystals. The influences of the calcination temperature and time on the lattice constant, the lattice distortion and the grain size of SnO₂ nanocrystals were discussed based on the XRD results. The grain growth kinetics of SnO₂ nanocrystals during calcination process was simulated with a conventional grain growth model which only took into account of diffusion and with a new isothermal model proposed by our group, which took into account of both diffusion and surface reactions. Using conventional model, the grain growth rate constant of SnO₂ crystals is 1.55×10⁴ nm⁵/min with a pre-exponential factor of 5 and an activation energy of 108.62 kJ/mol. Compared with the convention model, the new isothermal model is more realistic in reflecting the grain growth behavior of SnO₂ nanocrystals during the calcination process. This indicates that the grain growth of SnO₂ nanocrystals is controlled by both diffusion and reaction factors, and the effect of surface reactivity on the grain growth of SnO₂ nanocrystals could not be ignored. A combined activation energy estimated with the new isothermal model is 53.46 kJ/mol.     

元胞自动机法在316LN不锈钢晶粒长大过程模拟中的应用

结合晶粒长大过程中的物理基础,采用热激活、曲率驱动和能量耗散机制,引入能量降幅最大判据,建立了描述316LN不锈钢晶粒正常长大的元胞自动机模型,对316LN不锈钢晶粒长大过程进行模拟,模拟结果较准确地反映了晶粒正常长大规律。通过将模拟和试验的晶粒生长指数进行对比,表明在试验温度范围内,该模型可用于预测316LN不锈钢的晶粒尺寸。     

Al—Cu合金凝固冷却曲线及晶粒组织特征的计算机模拟

利用宏观－微观耦合的模型和热焓法处理结晶潜热,用外节点直接差分法数值计算技术,模拟了Ａｌ－２ｗｔ％Ｃｕ合金凝固过程的冷却曲线和晶粒组织特征,并与实验结果进行了比较。结果表明：冷却速率越大的凝固区域,再辉出现得越早,平台凝固段越短。模拟所得冷却曲线和晶粒组织特征同实测值吻合较好。     

Nucleation barrier of fcc(γ)→hcp(ε) martensitic transformation in Fe-based alloys

Based on the dislocation theory and Olson's stacking fault model, a model describing the nucleation of an hcp(ε) martensite embryo at low-angle grain boundary is proposed with the influence of external stress field taken into account. The dependences of temperature (T), shear stress (τ) and dislocation density at grain boundary on the martensite nucleation in FeMnSi based alloy, as an example, are numerically simulated. It has been shown that there exist the subcritical and critical embryos during the course of ε-phase nucleation. The free energy difference between them is just the energy barrier of embryo growth. Depending on T and τ, the characteristic embryo sizes may vary in wide ranges and decrease with increasing a and decreasing T. The energy condition of martensitic transformation at Ms and critical shear stress (τc) is discussed from the viewpoint of kinetics and thus the TEM observed result that stacking fault energy is not zero at Ms temperature is reasonably explained. Besides, it is pr     

Grain growth of Al-4Cu-Mg alloy during isothermal heat treatment

The microstructure of an Al-4Cu-Mg alloy during isothermal heat treatment in the Strain Induced Melt Activation （SIMA） process was investigated and the kinetics of grain growth was analyzed, The grain growth during isothermal heat treatment of the Al-4Cu-Mg alloy coincided with the Ostwald ripening theory. During isothermal heat treatment, both grain shape and the high volume fraction of solid phase have significant effects on grain growth. Therefore, a new grain growth model based on the Ostwald ripening theory was proposed taking into consideration the grain shape and the volume fraction of solid phase. By comparing the calculated results with the experimental results, it was confirmed that the present model could be applied to grain growth during isothermal heat treatment of the Al-4Cu-Mg alloy in the SIMA process.