烧结过程中微观结构演变行为的Monte Carlo模拟

论文摘要

粉末冶金作为一类制造高、新技术材料的重要工艺,具有能够对材料成分与组织结构进行有效调控、对材料进行非平衡状态制备、对多种材料类型进行复合等诸多优点,并且容易实现近净成形和自动化批量生产,在新材料发展中起着举足轻重的作用。烧结是粉末冶金工艺中的重要环节之一,对粉末冶金材料和制品的显微结构调控以及最终使用性能起着决定性作用。目前制定与优化烧结工艺大多采用以经验为基础的摸索试验方法,工作量大且耗时长,并难以实时跟踪晶粒长大、孔洞收缩等微观结构演变过程。采用计算机模拟技术可以直观反映烧结微观结构演变动力学行为,并能够对烧结进程进行可视化和定量化的表征,进而为制定和优化烧结工艺提供借鉴,因此日益受到重视。其中Monte Carlo方法具有模拟实现和程序设计简单、模拟速度相对较快、以及能够利用计算机图形化技术直观体现烧结微观结构演变过程等诸多优点,是烧结过程模拟的有效手段。在Monte Carlo方法中,建立与烧结过程中的物质扩散迁移行为相一致的模拟规则是其关键所在,并将直接影响模拟结果的可靠性。本文重点针对固相烧结致密化后期（近似处理为全致密体）的晶界物质跃迁一晶粒长大行为、液相烧结过程中的固相颗粒溶解一溶质扩散迁移与析出行为、以及固相烧结中后期的晶粒长大-孔洞迁移-空位湮灭行为等方面,根据上述烧结微观结构演变过程中的物理化学本质,制定相应Monte Carlo模拟规则,进而实现其过程模拟,取得以下研究成果：1)模拟正常晶粒长大过程时,将跃迁能垒引入到状态跃迁概率的计算,进行Monte Carlo方法的改进,以反映实际晶粒长大过程中物质在晶界处发生跃迁需克服一定能垒这一物理现象。得到的模拟晶粒长大指数介于0.472-0.493,接近于理论晶粒长大指数0.5,与晶粒长大动力学相关理论较为一致。利用铌镁酸铅陶瓷烧结成致密体所得到的相关实验结果,对Monte Carlo模拟结果进行实验验证,模拟所得的晶粒形貌演变过程、晶界拓扑分布等微观结构特征均与实际晶粒长大规律较为吻合。2)针对颗粒表面溶解形成溶质、溶质在液相中扩散与过饱和析出等过程分别制定相应模拟规则,Monte Carlo方法模拟研究单个圆形颗粒在液相中的溶解与析出过程。模拟结果表明,颗粒溶解程度（格点减少数量）随模拟时间延长逐渐增加,直至液相中的溶质浓度（固相的格点数量）趋于饱和,颗粒的形貌尺寸也趋于平衡状态；升高模拟温度将加快颗粒溶解速率,溶质在液相中达到饱和所需时间缩短,饱和浓度值相应增加。尺寸越小的颗粒表现出越高的溶解活性（高溶解速率和高饱和浓度）,模拟所得的饱和浓度与颗粒平衡尺寸的关联性与Gibbs-Thomson关系吻合。3)基于液相内单个圆形颗粒溶解行为的模拟所建立的相关规则,进行液相烧结过程中的颗粒Ostwald熟化长大行为的Monte Carlo方法模拟。模拟结果显示,颗粒熟化长大指数不随液相引入量或者温度等模拟条件的改变而发生显著变化,其数值在0.315-0.322之间变动,接近于扩散机制控制条件下所预测的理论颗粒熟化生长指数1／3。增加液相引入量或者提升模拟温度均提高固相格点与相邻液相格点之间发生的有效状态交换概率,加速固相颗粒的溶解、扩散与析出,体现出更快的颗粒Ostwald熟化长大进程。上述模拟结果得到了以Cu/Ni为液相的NiFe2O4基金属陶瓷烧结结果的相关实验验证。4)采用Monte Carlo方法模拟研究固相烧结中后期发生的烧结收缩,尤其是晶粒长大、孔洞迁移以及空位湮灭等烧结微观结构演变行为。实现了平直晶界处的圆形孔洞尺寸减小过程的模拟,所得的孔洞收缩率与模拟时间的关系式,与基于物质迁移流量的相应理论模型相吻合。将物质在界面处发生跃迁所需克服的能垒引入物质跃迁Boltzman概率计算,能够直接获得晶粒长大速率随模拟温度升高而加快的模拟结果,孔洞烧结收缩与迁移、孔洞转变成空位、空位湮灭等物理过程也能够模拟实现。晶界能的增加提升晶界迁移速率和晶粒长大速率,但晶粒内部易出现更多难以收缩和消除的孔洞,基体烧结收缩程度降低；表面能的增加有利于孔洞烧结收缩和消除,晶界孔洞数量减少,同样也出现晶界迁移速率和晶粒长大速率提升的现象。上述通过改变模拟温度、界面能状态等模拟条件得到的固相烧结微观结构演变行为模拟结果均与实际固相烧结现象与规律一致。利用Y203、17-4 PH不锈钢、A1203和Mo等烧结体系的烧结实验结果对上述模拟结果进行了相关实验验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 烧结现象
• 1.2 材料微观组织结构模拟的常用方法
• 1.2.1 分子动力学方法
• 1.2.2 元胞自动机
• 1.2.3 蒙特卡罗方法
• 1.2.4 相场法
• 1.2.5 有限元法
• 1.3 蒙特卡罗方法在烧结过程模拟方面的研究现状
• 1.3.1 正常晶粒长大过程模拟
• 1.3.2 液相烧结过程中的Ostwald熟化长大机制模拟
• 1.3.3 固相烧结中后期的烧结收缩模拟
• 1.4 本文主要研究内容与研究目标
• 1) 正常晶粒长大过程模拟
• 2) 单个圆形颗粒在液相中溶解-析出行为的模拟
• 3) 液相烧结过程中的Ostwald熟化长大行为模拟
• 4) 固相烧结中后期的烧结收缩行为模拟
• 5) 固相/液相烧结过程MC模拟的实验验证
• 第二章 基于物质跃迁能垒改进的正常晶粒长大MC模拟
• 2.1 模拟过程描述
• 2.2 铌镁酸铅陶瓷的烧结制备与微观结构检测
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 特定模拟条件下的晶粒长大过程
• 2.3.2 kT对晶粒模拟长大过程的影响
• 2.3.3 激活能垒对晶粒长大过程的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 单个圆形颗粒在液相中溶解行为的MC模拟
• 3.1 模拟过程描述
• 3.1.1 初始模型构建
• 3.1.2 圆形颗粒在液相中发生溶解的模拟规则描述
• 3.1.3 模拟结果处理
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 单个圆形颗粒在不同温度下的溶解过程模拟
• 3.2.2 溶解过程中的Gibbs-Thomson关系验证
• 3.3 本章小结
• 第四章 液相烧结过程中的Ostwald熟化长大行为MC模拟
• 4.1 模拟过程描述
• 4.1.1 模拟体系构建
• 4.1.2 模拟体系能量状态评估
• 4.1.3 溶解-扩散-析出过程模拟规则
• 4.1.4 模拟结果处理
• 4.2 Cu/Ni-NiFe2O4基金属陶瓷的液相烧结制备与检测
• 4.2.1 试样制备工艺
• 4.2.2 样品检测方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 高固-液界面润湿状态下的固相颗粒长大过程模拟
• 4.3.2 低固-液界面润湿状态下的固相颗粒长大过程模拟
• 4.3.3 不同润湿状态下液相分布情况的实验验证
• 4.3.4 不同液相含量下的晶粒长大过程模拟
• 4.3.5 不同模拟温度下的晶粒长大过程模拟
• 4.4 本章小结
• 第五章 固相烧结中后期的烧结收缩行为MC模拟
• 5.1 模拟过程描述
• 5.1.1 模拟体系构建
• 5.1.2 模拟体系能量状态评估
• 5.1.3 模拟规则描述
• 5.1.4 模拟结果处理
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 孔洞在晶界处收缩的MC模拟实现与收缩动力学验证
• 5.2.2 特定模拟条件下的烧结收缩模拟
• 5.2.3 模拟温度对烧结收缩的影响
• gb状态对烧结收缩的影响'>5.2.4 晶界能E_gb状态对烧结收缩的影响
• s状态对烧结收缩的影响'>5.2.5 表面能E_s状态对烧结收缩的影响
• 5.2.6 不同表面能、晶界能状态所得模拟结果的实验验证
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果