焊缝金属凝固元胞自动机模型的研究

元胞自动机能够基于现象本身的物理机制，对于难以用数学方法定量描述的体系如微观组织的演变等具有良好的适用性。成功地将元胞自动机方法用于焊缝金属凝固组织的模拟中，不仅使数值方法应用于焊接领域的范围和深度进一步扩大，同时，也为更深入地揭示焊接熔池结晶中各种物理现象、探讨其机制打下基础。     

采用元胞自动机法模拟凝固微观组织的研究进展

系统论述了元胞自动机(CA)方法模拟凝固微观组织的原理,同时介绍了这种方法在国内外的研究现状。实际上,国内外的研究主要经历了从晶粒结构到枝晶结构,从二维到三维、从没有流场到包含流场的逐步深入的发展历程。最后对CA方法的进一步研究方向提出建议,指出CA方法需要进一步完善现有模拟过程中所采用的生长动力学模型,同时可以将应用范围向半固态凝固领域拓展。     

基于元胞自动机法模拟凝固过程微观组织的研究进展

元胞自动机法是一种模拟金属凝固过程微观组织的有效方法,是目前的研究热点,具有广阔的应用前景。对比了元胞自动机法与通常所用相场法的区别,综述了近年来用元胞自动机法模拟合金凝固微观组织的国内外研究现状,分析了当前急待解决的主要问题,并指出了今后的发展方向。     

球墨铸铁凝固显微组织的元胞自动机模拟

改进了前期工作建立的多相元胞自动机(multi-phase cellular automaton,MCA)模型,模拟以离异共晶方式凝固的球墨铸铁的显微组织演化.在模型中采用局部溶质平衡法计算石墨和奥氏体的生长动力学,并在石墨的生长模型中考虑石墨与Fe的密度比.该模型可以模拟出与实验观测相符合的显微组织形貌.应用该模型模拟分析了石墨与奥氏体的相互作用和竞争生长机制,讨论了冷却速率对凝固结束时石墨球大小和尺寸分布的影响,将模拟结果与实验结果进行了比较.结果表明:奥氏体的析出促进邻近石墨在液相中的生长;奥氏体和石墨两相的生长受C扩散控制;当石墨被奥氏体包围后,生长速度减慢.此外,随着冷却速率的增大,凝固时间缩短,石墨球平均半径减小,不同冷速条件下石墨球尺寸分布的变化规律与实验结果吻合较好.     

一种改进的三维元胞自动机模拟铝合金凝固

以元胞自动机模型为基础,基于晶粒形核和生长的物理过程,建立了铝合金凝固过程演化的三维元胞自动机模型.枝晶尖端生长速度与局部过冷度的关系采用KGT模型,温度场和浓度场的计算采用有限差分法.模型中采用大小两套网格分别进行宏观温度场和微观组织演变的计算,提高了计算效率,使用该模型模拟了铝合金单晶生长以及铝合金在金属模具中的凝固情况,得到了在不同浇注温度下典型的柱状晶向等轴晶转变的三维图形.     

元胞自动机法模拟铝合金三维枝晶生长

以元胞自动机模型为基础,基于晶粒形核和生长的物理过程及热质传输过程,建立了铝合金凝固过程微观组织形成及枝晶形貌演化的三维元胞自动机模型.与传统的元胞自动机不同,该模型不仅考虑了温度场扩散而且考虑了固液相中的溶质扩散、曲率过冷等重要因素.枝晶尖端生长速度与局部过冷度的关系采用KGT(Kurz-Giovanola-Trivedi)模型,温度场和浓度场计算采用有限差分法.使用该模型模拟了单晶生长和多晶生长.模拟结果表明,所建立的模型能够合理反映质点形核、单晶粒生长和多晶粒生长,微观组织形貌的模拟计算结果合理.     

合金凝固过程元胞自动机模型及模拟方法的发展

元胞自动机(CA)是一种高效且物理意义明确的模拟方法,能够较准确地模拟合金的凝固组织演变过程.本文简述了合金凝固过程CA模拟方法的基本原理,综述了合金凝固组织演变CA模型的发展历程,分析了现存的CA模型的特点,展望了合金凝固CA模型的未来发展方向.     

LSPWES法半固态组织演化的元胞自动机模拟

为理解低过热度浇注弱电磁搅拌(LSPWES)过程中铝合金半固态球晶组织形成的基本规律和演化机制,建立了元胞自动机(Cellular Automaton)和有限元(Finite Element)相结合的宏微观耦合模型,并分析了电磁搅拌对凝固过程的影响,计算了不同搅拌参数下的流场信息,模拟了该方法中不同工艺参数下A356铝合金的凝固组织,得到了最佳的工艺参数。模拟和试验结果表明,当浇注温度为630℃时,施加短时弱电磁搅拌后,增大了形核率,使同时发生凝固的区域增大,提高了晶粒在各个方向上生长的均匀性,促进了球晶组织的形成。此时,最佳搅拌参数:电源频率为10Hz,搅拌功率为1.2kW,搅拌时间为6s。     

动态再结晶过程的元胞自动机模拟

结合金属热加工过程的冶金学原理,基于非均匀分布的位错密度场,建立了动态再结晶二维元胞自动机模型(Cellular Automaton),并对不同应变速率和不同变形温度条件下的动态再结晶过程进行了模拟。结果表明:动态再结晶存在明显的孕育期;再结晶晶核优先在晶界处产生;提高变形温度或者降低应变速率均能促进动态再结晶的进行。     

用元胞自动机与宏观传输模型耦合方法模拟凝固组织

用元胞自动机(cellular automaton,CA)方法模拟凝固组织,采用有限差分方法(FDM)模拟凝固过程中的热传导、溶质扩散及动量传输等宏观传输过程．将二者耦合(CA—FDM)模拟了钢锭凝固过程中晶粒的形核与生长过程,预测了表面柱状晶的长度、取向及柱状晶-等轴晶的转变．模拟结果表明,形核率与生长速度的比值是决定组织形态(包括晶粒形貌、柱状晶-等轴晶转变)的重要因素,合理地控制两者的比值可以获得优良的微观组织．为使这种方法实用化,以增加可模拟元胞的数目,在开发程序时使用了虚拟内存分配技术．     

基于CA模拟焊缝凝固过程枝晶生长的分析

将元胞自动机方法用于焊缝金属凝固组织演变的模拟中,不仅为焊缝微观组织演变的数值模拟开辟了一种新的途径,同时也有助于研究焊接接头组织并依此优化工艺来提高焊件质量.文中研究了焊缝凝固过程中的溶质扩散问题,构建了基于元胞自动机的焊缝枝晶生长速度模型,在此基础上进行了焊缝中心等轴晶和熔池边缘柱状晶生长的模拟.初步计算了焊缝中心等轴晶和熔池边缘柱状晶的生长形态,计算结果明显再现了二次、三次枝晶的生长及竞争生长等微观现象.结果表明,元胞自动机方法是研究和模拟焊缝微观组织的有效手段之一.     

元胞自动机模拟形变组织的网格映射模型

文章采用正六边形网格划分法、最近邻邻居关系以及周期性边界条件的元胞自动机方法,获得等轴的母相微观组织。在此基础上建立网格映射模型,模拟得到静态再结晶前的形变组织以及动态再结晶过程中的形变组织,并与实验结果进行对比。结果表明,模型计算得到的尺寸误差较小,能够满足尺寸精度的要求。模拟得到微观组织随着应变的增加,晶粒形态沿变形方向伸长。应变越大,晶粒伸长的程度也越大。在大的应变量下,等轴的微观结构演变成纤维组织。模拟结果与实验结果符合较好,表明本模型能够用于模拟材料的形变组织。     

采用元胞自动机法模拟变温条件下低碳钢静态再结晶过程

基于亚晶异常长大形核机制,采用元胞自动机方法,建立了低碳钢静态再结晶仿真模型,模拟了退火均热温度对再结晶过程的影响。模拟结果表明,再结晶初期存在明显的孕育期,没有再结晶晶核产生;随着温度的升高,再结晶晶核优先在晶界和晶粒内储存能较大处产生;再结晶完成时的晶粒尺寸基本不受退火均热温度的影响;提高退火均热温度可以显著加快再结晶速度。     

Cellular automaton modeling of semisolid microstructure formation

Computer modeling of semi-solid structure formation is of significance in both understanding the mechanisms of globular structure formation and determining the effect of solidification conditions on final microstructure. A modified cellular automaton (mCA) model has been developed, which is coupled with macroscopic models for heat transfer calculation and microscopic models for nucleation and grain growth. The InCA model is applied to A356 Al alloy - one of the most widely used semi-solid alloys, to predict grain morphology and grain size during semi-solid solidification, and determines the effects of pouring temperature on the final microstructure. The modeling results show that the lower the initial temperature, the finer grain size will be obtained. In addition, the model can be used to predict the solutal micro-segregation.     

基于概率捕获模型的元胞自动机方法模拟镁合金枝晶生长过程

基于枝晶生长的基本传输过程和元胞自动机（Cellular Automaton,简称CA）模型基本原理,建立符合镁合金密排六方结构特点的凝固过程形核、晶体生长的数学模型。模型耦合宏观温度场和微观组织模拟计算,考虑溶质扩散、曲率过冷和各向异性等重要因素的影响,定义界面单元捕获规则,能够模拟枝晶生长的形态。应用本模型对单个等轴晶生长、等轴晶多晶粒生长及定向凝固中的柱状晶生长进行模拟并与实验结果进行对比,模拟结果与实验结果吻合较好,验证了模型的正确性。     

Simulation of microstructure evolution in directional solidification of Ti-45at.%Al alloy using cellular automaton method

The microstructural evolution of Ti-45 at.%Al alloy during directional solidification was simulated by applying a solute diffusion controlled solidification model. The obtained results have shown that under high thermal gradients the stable primary spacing can be adjusted via branching or competitive growth. For dendritic structures formed under a high thermal gradient, the secondary dendrite arms are developed not very well in many cases due to the branching mechanism under a constrained dendritic growth condition. Furthermore, it has been observed that, with increasing pulling velocity, there exists a cell/dendrite transition region consisting of cells and dendrites,which varies with the thermal gradient in a contradicting way, i.e. increase of the thermal gradient leading to the decrease of the range of the transition region. The simulations agree reasonably well with experiment results.     

动态再结晶过程的三维元胞自动机模拟

建立了一类模拟金属材料动态再结晶的三维元胞自动机模型,该模型把宏观尺度的热加工参数和介观尺度的位错密度变化耦合在一起,考虑了动态回复、形核率、应变和初始晶粒尺寸的影响.利用这个模型可以追踪动态再结晶过程微观组织的变化,并且可以得到再结晶晶粒形态及晶粒的取向和大小.模拟结果与动态再结晶生长动力学理论符合较好.模型预测的再结晶微观组织及晶相形状和试验微结构吻合较好.     

镍基合金焊缝凝固组织演变过程模拟和仿真

建立了一个元胞自动机与有限差分的耦合模型,并将其应用于镍基合金TIG焊熔池凝固过程的模拟.首先对焊接熔池内的各种凝固组织的生长进行了模拟,成功地模拟了平面晶、胞状晶、树枝晶、等轴晶的形态,并与试验结果进行了比照.进一步模拟熔池凝固时的凝固组织不同形态的演变过程,再现了胞状晶到树枝晶、树枝晶到等轴晶的转变过程.同时,采用溶质扩散模型模拟了扩散对溶质场分布的影响.结果表明,模拟结果与试验结果吻合良好.     

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。