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基于元胞自动机法的材料晶粒长大和再结晶模拟

焦宪友  
【摘要】:再结晶和晶粒长大过程是制作金属材料最重要的物理冶金过程之一。经过人们对再结晶现象的长期基础研究,取得了很多研究成果,如定向形核和选择生长理论、唯象理论等。但是,在其微观结构演化的解释方面还存在许多问题。研究材料再结晶和晶粒长大过程的传统试验方法是金相观察,既滞后、费时又不全面、精确,只能达到定性或半定量化的试验研究要求。现代计算机仿真技术为模拟金属材料再结晶和晶粒长大过程以实现对其组织动态演变的数值模拟和图像模拟提供了手段。 近年来,蒙特卡洛方法和元胞自动机方法成为材料再结晶和晶粒长大过程仿真研究的主要方法。相比蒙特卡洛法,元胞自动机法研究相对滞后,特别是在国内刚刚起步,大量的模拟研究工作有待于开展。本论文正是应用元胞自动机法对金属再结晶及晶粒长大过程进行了模拟。 基于元胞自动机法、材料再结晶理论和计算机仿真理论,通过计算机数值模拟和图像分析技术相结合,本论文分别构建了晶粒长大和再结晶模拟模型,利用Visual C++语言编制了相关程序,完成了再结晶和晶粒长大过程的虚拟试验及其组织变化规律的研究,取得了如下结论:通过分别对单一晶粒和总体晶粒形态变化的模拟研究,证明CA模型所模拟的单一晶粒长大行为和总体晶粒长大形为都符合晶粒长大理论及其规律,利用CA法模拟再结晶和晶粒长大是可行的;CA模型构建时,合理地选择元胞邻居定义是必要的,Moore型邻居定义是一种理想的模拟晶粒长大的元胞邻居;采用所建模型模拟的再结晶微观组织演变与平均晶粒尺寸的变化基本符合真实物理过程,模拟的再结晶晶粒长大动力学基本符合JAMK理论;恒形核率形核方式较比点饱和形核方式更适合于再结晶模拟模型;合理地选择吸引长大概率对于优化再结晶模拟动力学是必要的;MC和CA两种方法的特点、模型、模拟条件和模拟结果的比较表明,MC和CA方法各有优缺点。MC方法适合于晶粒长大模拟,而CA方法适合于再结晶模拟。


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