焙烧过程晶粒生长的Monte Carlo模拟

基于Monte Carlo（MC）方法,根据晶粒生长机理建立改进的转换概率模型,在不同焙烧温度、焙烧时间和激活能条件下可实现晶粒生长过程结构演化的计算机模拟,对模拟和实验数据进行分析,结果表明：当晶粒生长指数为2.17时,模拟与实验具有较好的一致性,从而得出焙烧过程晶粒的生长动力学模型;该模型能够较好地解释焙烧过程晶粒的生长过程,对晶粒生长动力学研究等具有一定的指导意义。     

相场方法研究硬质颗粒钉扎的两相晶粒长大过程

采用相场方法模拟第三相颗粒钉扎的两相耦合的晶粒长大过程,系统地研究了第三相颗粒体积分数和尺寸大小对两相晶粒长大过程的影响.模拟结果表明,第三相颗粒体积分数越大,对晶界的钉扎作用越强,且极限晶粒尺寸越小.单个第三相颗粒尺寸越大,对晶界钉扎作用越强.但当体积分数一定时第三相颗粒尺寸越小时,颗粒数目会越多,此时总的钉扎效果会越好,晶粒极限尺寸也越小.若晶粒长大系统同时引入两种不同大小的第三相钉扎颗粒,且两种颗粒所占比例相同时,钉扎效果最好.相场方法模拟所得到的二相多晶材料晶粒组织演化规律和晶粒生长指数、晶粒形态、生长动力学和拓扑结构特征与已有实验和理论结果相符合.     

表面机械研磨处理制备纳米晶Ni的晶粒生长动力学

利用表面机械研磨处理(SMAT)技术在纯Ni上制备一定厚度的纳米晶表层,利用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)研究了纳米晶Ni的晶粒生长动力学,计算了描述晶粒生长动力学的时间指数n和晶粒生长激活能Q.研究表明,纳米晶Ni在423～723 K退火时的时间指数n约为0.14.当纳米晶Ni在423 ～523 K退火时,其晶粒生长激活能Q为32.1 kJ/mol,表明在这一温度区间内晶粒生长由晶界和亚晶界的微结构重新排列所控制;当纳米晶Ni在523～723 K退火时,晶粒生长激活能Q为121.3 kJ/mol,表明在这一温度区间内晶粒生长由晶界扩散所控制.TEM观察表明纳米晶Ni在较高温度下退火时出现异常的晶粒长大现象.     

电流密度对熔盐电镀铝晶粒形貌的影响

结合扫描电镜形貌观察和能谱分析研究了AlCl3-NaCl-KCl低温无机熔盐体系中电镀铝时电流密度对Q235钢基体上铝晶粒沉积形貌的影响,并从铝晶粒沉积过程中总的自由能变化的角度对其析出规律进行探讨。结果表明,在由80%AlCl3+10%NaCl+10%KCl所组成的熔盐中,当温度为150℃、电流密度为20.0～98.7 mA/cm2范围内电镀时,均可在Q235钢表面上获得完整、致密的铝镀层。电流密度的大小直接影响铝晶粒的形态和尺寸。电流密度低时,铝晶粒呈片状;电流密度高时,铝晶粒呈颗粒状,且随电流密度的增大,铝晶粒尺寸呈现减小趋势。结合热力学和动力学探讨了电流密度大小对电镀铝晶粒尺寸及形貌的影响。电流密度对铝晶粒形貌的影响与铝晶粒在Q235钢基体上沉积时形核及长大过程中的总自由能变化,特别是由电流密度大小所决定的铝晶核析出电化学能的大小有关。     

压力对环件压力成形凝固组织的影响

在环件压力成形凝固过程中,压力对凝固组织有着至关重要的影响。利用ProCAST-CAFE模块,对Q235B钢环件在不同压力下成形时的凝固组织进行了数值模拟,研究了压力对凝固组织的影响。结果表明,随着压力的增加,晶粒尺寸减小,晶粒明显细化,150~200 MPa为适宜的压力范围。     

冷变形及退火工艺对617B合金组织性能的影响

研究了冷加工变形量、退火温度和退火时间对617B合金管材组织及力学性能的影响。结果表明:随着变形量的增大,晶粒沿着最大主变形方向被拉长,形成了长条状的形变带,合金室温抗拉强度和屈服强度逐渐提高,延伸率下降;当退火温度从1080℃提高到1160℃时,随着退火温度的提高,合金的晶粒逐渐长大,抗拉强度和屈服强度降低,塑性提高,退火温度到1160℃以上继续提高温度,晶粒长大速度明显增大,强度和塑性变化不大;不同变形量下合金晶粒长大的激活能Q均远大于纯Ni的自扩散激活能,且Q值随着变形量的增加先升高后降低;合金晶粒长大指数η值随着退火温度的提高先增大后减小。     

Ti-1300合金的晶粒长大行为

对Ti-1300合金在固溶处理过程中晶粒的长大行为进行系统研究。结果表明:当固溶温度低于β转变温度时,未溶解的α相使得晶粒长大缓慢;在高于β转变温度固溶处理时,晶粒随着温度升高而快速增大。晶粒长大动力表明:在840~950℃固溶处理时,β晶粒的长大规律可用D=1.13×1010 exp(-2.1×104/T)描述,且晶界迁移的表观激活能为Q=350 k J/mol。当固溶温度为840、870和900℃时,晶粒长大指数随固溶温度升高而增加,分别为0.31、0.55、0.56。     

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。     

铝带铸轧凝固过程中的枝晶生长模拟

采用元胞自动机方法(Cellular Automation Method) 模拟铝带铸轧过程中晶粒的生长,模拟过程中用简化的二元合金模拟了过冷熔体中枝晶的生长,且过冷熔体中枝晶的生长模型采用LGK模型.在枝晶生长的基础上模拟了铝带在铸轧过程中冷却及铸轧速度引发的过冷度对晶粒生长的影响.结果表明,在形核率一定的情况下,过冷度越大,晶粒越大.     

42CrMo钢加热过程中的奥氏体晶粒尺寸演变

通过金相试验方法测定42CrMo钢在890～930℃下保温10～240 min后的晶粒尺寸.结果表明,42CrMo钢在加热到试验温度 890～930℃时已经完全奥氏体化,保温过程中的晶粒生长属于正常生长;加热温度对晶粒尺寸的影响较大,保温时间对晶粒尺寸的影响较小;随保温时间的延长晶粒生长缓慢,晶粒尺寸与保温时间满足指数...     

Effect of grain boundary energy on surface-energy induced abnormal grain growth in columnar-grained film

In columnar-grained film with anisotropy in the surface energy, abnormal grain growth occurs to minimize the overall energy. We studied the effect of grain boundary energy on the surface-energy driven abnormal grain growth in thin films using the Monte Carlo computer simulation. Our simulation results show that the growth speed of abnormal growth slows down when grain boundary energy increases. It is because the speed of normal growth driven by the grain boundary energy minimization gets faster with increasing grain boundary energy, while that of the abnormal growth induced by the fixed surface energy is consistent. The growth kinetics was monitored based on the growth velocity of the abnormal grains relative to the average growth velocity of all the grains. It was also found that the abnormal growth kinetics was retarded by impingements among abnormally growing grains when there was more than one abnormal grain.     

MC方法模拟晶粒长大的改进算法和晶粒数统计的研究

基于材料等温下所有晶粒长大的同步性,认为单元进行再取向尝试时采用随机提取更符合物理模型,且所有单元全部提取并完成一次再取向尝试记为一个MCS,弥补了以往模拟中采用逐一提取单元的不足.晶粒长大模拟结果符合大晶粒不断变大且有相似性,小晶粒的无规则随机变小的规律.采用了对晶粒个数、面积的精确统计算法,得出晶粒长大指数达到0.48～0.51.     

DD6合金定向凝固选晶器的数值模拟与实验研究

使用有限元数值模拟和实验方法对DD6合金选晶器定向凝固过程的温度影响、晶粒组织以及晶粒生长进行了研究,结果表明温度场模拟与选晶器定向凝固过程的温度变化基本相符,晶粒组织生长的模拟能够反映晶粒竞争生长实际情况,与实验试样基本相一致。由于取向与温度梯度不一致晶粒的位置被取代,使得引晶段中的晶粒平均半径随着高度增加而增大,晶粒密度不断减少,两者有负指数关系。对比了螺旋段不同高度截面EBSD晶粒取向实验成像与晶粒模拟结果,组织模拟与实验结果较为吻合。通过分析螺旋通道中的晶粒竞争生长关系,位于螺旋通道内侧和上部的晶粒更具有位置优势,容易被选晶器选出。     

加热工艺参数对12%Cr钢晶粒长大行为的影响

研究了不同加热工艺参数下(加热温度1050～1300℃,保温时间0.25～24 h) 12%Cr超超临界转子钢的奥氏体晶粒长大行为,并通过光学显微镜(OM)观察晶粒尺寸的变化规律,建立晶粒长大数学模型。结果表明:随着加热温度增加,晶粒尺寸逐渐增加,加热温度低于1150℃时,晶粒尺寸增加明显,而温度高于1150℃后,晶粒尺寸逐渐趋于稳定;随着保温时间的增加,晶粒尺寸逐渐增加,保温时间增加到3 h后,晶粒尺寸增加趋势放缓。采用非线性回归方法和Arrhenius晶粒长大模型,建立了该钢的晶粒长大数学模型。     

Grain selection and growth orientation of prior-β phase for Ti-6-4 during additive manufacturing: insights from a modeling perspective

The microstructure of Ti-6-4 components produced by additive manufacturing suffers from the coarse and elongated prior-β grain, which leads to a decrease of the tensile behavior and the occurrence of anisotropy. To understand and control the grain evolution, a multiscale simulation is applied to investigate the relationship between the grain selection, growth orientation, and the molten pool morphology with the different deposition layer numbers and processing parameters. The accuracy of the simulation is validated by experiments in both qualitative and quantitative ways. Results show that when the grain with unfavorable orientation loses the competitive growth with its neighbors, there will be a great chance that the blocked grain is eliminated in the following layer-and-layer deposition, which leads to the increase of the grain width. The size of the molten pool increases remarkably as the layer number increases, which lays a heavy burden on the stability of the molten pool. The analytical relationship between the molten pool morphology and the grain growth orientation is also deduced. The flat molten pool causes the grains with the <001> direction close to the building direction to have greater survival potential. Besides, decreasing the line power energy shows little effect on the stability of the molten pool and the grain growth orientation, especially when the deposited layer number is large. The revealing mechanisms will help in understanding and further controlling the grain evolution.

     

铸态奥氏体晶粒粗化与热装再加热中晶粒的演化

为了探讨铸坯表层粗大奥氏体晶粒的形成机制,研究了奥氏体晶粒在不同保温条件下的粗化行为。发现由于析出相的影响,高温保温时不同钢种间晶粒生长规律存在差异,且晶粒的进一步粗化在1 250 ℃以下难以有效进行。在此基础上,为了明确装炉温度对加热后奥氏体晶粒结构的影响,对模拟热装再加热过程中的晶粒结构演变进行了试验探究。结果表明,高于珠光体形成温度热装时,轧前奥氏体晶粒结构与冷却前一致;而低于此温度热装时,在奥氏体化后出现大量的新生细小晶粒。后者得到的混晶结构在继续加热至均热温度的过程中发生反常晶粒生长,导致最终组织较冷却前更为粗大。     

热处理对C-276合金无缝管晶粒长大行为的影响

研究了不同的热处理工艺对C-276合金冷轧无缝管晶粒长大行为的影响。结果表明:在同一保温时间下,随热处理温度的升高,C-276合金的晶粒尺寸逐渐增大,且不同保温时间下的晶粒长大趋势相同。当热处理温度为1040～1080 ℃时,晶粒长大较快;在1080～1160 ℃时放缓;在1160～1200 ℃时又加快。在1040～1200 ℃下保温10 min后C-276合金的晶界迁移表观激活能为313.77 kJ/mol。当热处理温度为1040～1080 ℃时,随保温时间的延长晶粒长大较为缓慢;温度为1120～1160 ℃时,当保温时间在10 min内,晶粒长大较快,当保温时间大于10 min后晶粒长大减慢;温度升高到1200 ℃时,随保温时间的延长晶粒长大趋势较为平缓。热处理温度在1040～1200 ℃范围内,随温度的升高,C-276合金的晶粒长大动力学时间指数η先增大后减小。     

固溶温度对冷轧态690合金组织及晶界分布特征的影响

通过SEM和EBSD等手段研究了950~1100 ℃固溶温度对不同变形量690合金的微观组织和晶界分布特征的影响。结果表明,当固溶温度超过1070 ℃再结晶晶粒尺寸快速增加,且较大变形量样品的晶粒尺寸小于小变形量的。变形量较小样品的固溶温度相对较大变形量的样品不宜过高。基于晶界的重位点阵(即CSL)理论进一步分析晶界分布特征,固溶处理后进行特征晶界统计分析,样品中由变形加工产生的小角度晶界特征消失,但是具有Σ3晶界特征的退火孪晶组织比例增加。在固溶温度超过1030 ℃后,Σ3晶界没有明显增加趋势。较大变形量样品的Σ3晶界密度高于低变形量的样品,表明适当提高变形量有利于提高Σ3的晶界密度。对晶粒取向的分布特征统计分析后可知,1030 ℃固溶处理变形加工后的690合金,提高了Σ3ⁿ晶界比例,特别是Σ3晶界,且较大变形量合金形成的Σ3晶界比例为19%,高于小变形量合金的17%比例。     

工业纯铝焊接热影响区晶粒生长的模拟

结合焊接工艺试验和热模拟试验,运用蒙特卡罗(MC)技术模拟了工业纯铝L1060焊接热影响区(HAZ)晶粒生长过程。首先应用试验和统计学的方法确定了工业纯铝L1060晶粒生长的动力学模型,然后计算了焊接热循环,同时基于蒙特卡罗技术编制了模拟程序,最后在不同焊接热输入情况下,模拟了晶粒生长过程。模拟结果与试验结果非常接近,为评定焊接工艺和材料焊接性提供了依据。