第二相粒子尺寸对基体晶粒长大影响的仿真研究

根据第二相粒子与基体晶界交互作用的微观物理基础,建立了复相材料晶粒长大的三维图象的仿真方法,设计了含有相同体积分数,不同尺寸第二相粒子的复相体系,并全程仿真了三维复相材料的晶粒长大过程,对粒子尺寸影响基体粒长大的直接观察和定量分析表明,粒子尺寸越大,晶界的“脱钉”趋势越弱,晶粒长大到达停滞状态所经历的时间越长,停滞状态下基体晶粒尺寸越大且尺寸分布的均匀性越近,极限晶粒尺寸与粒子尺寸之间并不存在简单     

不同尺寸二相粒子材料晶粒长大的元胞自动机仿真

在现有晶粒长大元胞自动机器（CA）模型的基础上制定新的转变规则，使之能够模拟第二相粒子对晶粒长大过程的影响，且对含有不同尺寸第二相粒子材料的晶粒长大过程进行仿真模拟和定量分析。模拟结果表明：第二相粒子对基体组织具有钉扎作用，当粒子体积分数一定时，总体钉扎作用随着粒子尺寸的减小而增强；对于单一粒子而言，大尺寸粒子比小尺寸粒子具有更强的钉扎效果，该结果能够准确地反映第二相粒子对晶粒长大过程的影响规律，与现有的相关理论相符合。     

相场法模拟球形和盘形第二相粒子对晶粒长大的影响

利用相场法模型,模拟研究含不同尺寸和面积分数的球形和盘形粒子的二维系统中晶粒的长大特征,揭示第二相粒子对晶粒长大的影响规律.结果表明:初始阶段晶粒长大符合长大指数n 为0.3～0.4的指数长大规律,其n与系统单位面积所含的粒子数量密切相关;晶粒长大过程中绝大多数粒子位于晶界处,其最终的平均晶粒半径可以用Zener关系表示;当粒子尺寸和面积分数一定时,粒子的形状对晶粒的长大过程没有明显影响.     

海洋平台用钢E690奥氏体晶粒长大行为

分析了不同加热温度和保温时间下海洋平台用钢E690奥氏体晶粒的长大行为,同时研究了第二相粒子对奥氏体晶粒大小的影响。结果表明,奥氏体晶粒尺寸随着加热温度的升高而增加,在850~950℃之间奥氏体的晶粒尺寸增加属于正常的长大行为,而在950~1000℃之间出现了晶粒的异常长大,奥氏体平均晶粒尺寸几乎增加一倍。保温时间对奥氏体晶粒尺寸影响较小,且随着保温时间延长,晶粒增长不明显。钢中第二相粒子的尺寸、体积分数和分布状态对奥氏体晶粒长大起关键作用。在已有模型和试验数据的基础上,推导出能够描述奥氏体晶粒长大临界尺寸的模型,该模型很好地解释了试验钢奥氏体晶粒的长大行为。     

Ti-V-Nb微合金钢中的第二相粒子及其对焊接热影响区奥氏体晶粒长大的影响

利用萃取复型技术及焊接热模拟技术研究了Ti—V—Nb微合金钢及热影响区中的第二相粒子及其对HAZ区奥氏体晶粒长大的影响。研究表明，微合金钢中存在大量弥散分布的细小粒子．这些粒子是Ti、Nb、V等元素的碳氮化合物．具有很高的稳定性。在焊接热循环过程中．这些粒子能够显著地阻止奥氏体晶粒长大。焊接热循环峰值温度在1200C以下时，热影响区中的第二相粒子在热循环过程中仅发生轻微的溶解及长大，奥氏体晶粒长大程度很小，且奥氏体晶粒尺寸基本不随焊接热输入(t815)及热循环峰值温度(Tm)的变化而变化。Tm在1250C以上时，热影响区中的第二相粒子显著减少而尺寸显著增大，奥氏体晶粒尺寸随t815及Tm的增大而显著增大。     

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。     

相场法模拟多个空间取向的棒状第二相粒子对晶粒长大的影响

采用相场法研究多个空间取向的棒状第二相粒子以及圆形第二相粒子对基体晶粒长大的影响.结果表明:在晶粒长大过程中,绝大部分棒状第二相粒子位于晶界处并与晶界方向一致,圆形第二相粒子大多位于三晶交点处;第二相粒子表现出强烈的钉扎晶界的作用,极限晶粒半径可以用Zener关系表示;在第二相粒子面积分数和粒子尺寸相同的情况下,当第二相粒子面积分数较小(＜5%)时,棒状与圆形第二相粒子对晶粒长大的钉扎作用没有明显差别;当粒子面积分数较大(＞5%)时,棒状第二相的钉扎效果好于圆形第二相的钉扎效果.     

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．     

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.     

相场仿真二维晶粒长大过程中的尺寸分布和拓扑演变

用相场方法对二维晶粒长大过程进行仿真。结果表明，相场仿真所得准稳态晶粒尺寸分布，既可以用Weibull函数又可以用Louat函数很好地拟合，原因是在一定条件下两种分布函数的图像完全重合或非常相似，相场方法得到的晶粒拓扑分布经过演变同样达到了自相似或准稳态，但表现为对数正态分布形式，晶粒尺寸与晶粒边数间呈非线性关联，结果既与已有高纯度铝带实验结果相吻合，又与已有Monte Carlo法仿真结果一致。     

含第二相颗粒的晶粒长大过程相场法

第二相颗粒对晶界有很强的钉扎作用,大量第二相颗粒的存在将影响系统正常的晶粒长大过程.本文采用相场法研究了第二相颗粒尺寸大小和体积分数对晶粒长大过程的影响.模拟结果表明第二相颗粒体积分数越大,对晶界的钉扎作用越强,稳态时晶粒尺寸越小.第二相颗粒体积分数达到一定范围时可能发生个别晶粒的异常长大.单个第二相颗粒尺寸越大,其对晶界钉扎作用越强,但当体积分数一定时第二相颗粒尺寸越小,总的钉扎效果越强,最终系统的晶粒尺寸越小.通过相场模拟获得了极限晶粒尺寸与第二相颗粒参数的定量关系,相场模拟结果与实验结果和Monte Carlo 模拟结果相符合.     

相场法模拟不同形状的硬质颗粒对两相晶粒长大的影响

采用相场方法研究了不同颗粒体积分数及尺寸条件下不同形状的硬质颗粒对两相系统晶粒长大的影响,结果表明:球形颗粒大多处于三角晶界处,片状颗粒处于晶界处且沿晶界分布.不同形状的硬质颗粒对体积占优的α相晶粒长大无明显影响,对体积分数较小的β相晶粒长大的影响主要取决于颗粒数目.颗粒数目较少时,不同形状的硬质颗粒对β相晶粒长大无明显影响;颗粒数目较多时,片状颗粒比球形颗粒对β相晶粒长大的阻碍作用强烈.颗粒体积分数越大,颗粒对晶界的钉扎作用越强,稳态时晶粒的半径越小;颗粒尺寸越大,单个颗粒对晶界的钉扎作用越强,但总的钉扎作用越弱,稳态时晶粒的半径越大.     

Grain growth simulation with the second phase particle pinning for heat-affected zone of microalloyed steel welds

The second phase particle dispersed in microaUoyed steel has different effects on grain growth depending on their size and volume fraction of the second phase particles which will change during welding thermal cycles.The particle coarsening and dissolution kinetics model was analyzed for continuous heating and cooling.In addition,based on experimental data,the coupled equation of grain growth was established by introdacing limited size of grain growth with the consideration of the second phase particles pinning effects.Using Monte Carlo method based on experimental data model,the grain growth simulation for heat-affected zone of microalloyed steel welds was achieved.The calculating results were well in agreement with that of experiments.     

铁素体不锈钢焊接热影响区晶粒长大过程模拟

提出一种用Monte Carlo模拟单相合金的热影响区（HAZ）晶粒长大方法,可以将焊接实际时间与模拟过程对应起来,应用有限元方法计算出焊接热循环,并结合晶粒长大的Arrhenius公式,模拟了铁素体不锈钢EB26-1在一定规范下HAZ晶粒的演变情况,模拟结果表明,此方法可以预测HAZ中晶粒的分布以及存在于HAZ中很陡的温度梯度对晶粒长大的阻碍作用。     

铝合金枝晶生长的数值模拟

提出一种新的模拟铝合金枝晶生长的随机性方法，建立了简化的枝晶形状的物理与数学模型，并提出了一种形状函数来描述晶粒的外部轮廓，基于简化的晶粒形状，采用坐标变换技术来描述过冷液相中晶粒的生长过程及其对周围节点的捕获过程，根据上述思想，开发了等轴晶生长的模拟程度，并进行了二维计算，为了验证模拟结果，浇注了金属型和砂型试样，模拟结果表明，金属型铸造晶粒尺寸较小，砂型铸造的较大，模拟结果与金相观察结果相符。     

Large-scale three-dimensional simulation of Ostwald ripening

Large-scale three-dimensional simulations of Ostwald ripening were carried out using a multiphase-field model for accurate and efficient computation of multiparticle diffusional interaction in order to clarify coarsening kinetics in systems with finite particle fractions. The simulations were performed on 400³ grid systems in a particle fraction range of 0.25–0.86, where the initial microstructures with 20,000–100,000 solid particles in a liquid matrix evolve into structures with 1500–3000 particles. The simulation results were carefully analyzed and compared with those from the previous simulations and experiments, which have data range relevant to the present simulation range. The present results are in excellent agreement with the simulations by Akaiwa and Voorhees at low particle volume fractions, with the recent results from the 3-D reconstruction of serial sections at high fractions and with the grain size distribution of ideal grain growth at very high fractions.     

纯金属等温结晶中晶核漂移的遗传算法

建立纯物质等温结晶中晶核形核和长大规则,采用遗传算法模拟晶核形核长大及其漂移效应。模拟结果表明:晶核界面迁移轨迹符合结晶理论,晶核漂移随机无规;在0～335模拟步(GAS)区间,所有晶核的模拟平均漂移距离和模拟平均漂移系数与模拟步数的乘积有平方根关系,拟合模拟平均漂移系数为3.96×10-13m2/GAS;在晶粒度评定计量单元下推导出转变相同体积分数时实际晶核长大所需时间与模拟时晶核长大所需模拟步数之间的关系,在等温结晶且晶核长大平均速率为10-4m/s时,晶核模拟平均漂移系数约在3.09×10-10～3.50×10-8m2/s数量级。     

相场法模拟凝固过程中界面效应对晶粒形核的影响

采用连续相场模型对晶粒形核过程进行模拟,从动力学角度考虑,引入类似于纳米颗粒的界面效应,分析它对形核过程的影响;同时研究形核过程中晶核的析出、形核数目变化、晶界厚度变化以及晶核生长的特点。结果表明,界面效应为形核过程提供驱动力,促使晶核的快速长大;形核过程中晶核数目随时间逐渐增多,晶核尺寸逐渐增大,晶核生长速度较快,同时晶粒位向取向参数的变化反映了晶粒尺寸和晶界厚度的变化。     

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。