相场方法模拟合金无序—有序相转变和晶粒长大

论文摘要

相场法作为材料微观组织演变的一种模拟方法已经被越来越广泛的应用到各种常见的微组织演化的模拟当中。它通过场变量简单明了地表征出任何一种复杂组织的几何形貌、可以在相同的物理和数学模型下模拟诸如:形核、长大和粗化等不同的现象。因此它是计算机模拟各种微组织演化的首选方法,例如模拟凝固以及枝晶形成、Ostwald熟化、失稳分解、有序-无序相转变、马氏体相变、晶粒长大等等。为此,本论文探讨了宏观和微观相场法在晶粒长大和合金沉淀相析出两种微观组织演化中的具体应用。首先,应用宏观相场方法采用多序参量唯象晶粒长大相场模型,对单相多晶材料中最基本的显微组织演化过程之一晶粒长大进行二维模拟,初步验证了相场方法的有效性,结果表明模型符合经典长大规律,晶粒尺寸分布是时间相关的,并可以由Weibull函数很好的描述。在此基础上探讨了势阱参数λ和能量梯度系数Ki的大小对晶粒长大和晶粒尺寸分布的影响,得到结论:λ值越大越会抑制晶粒生长,随着Ki的增大,晶粒生长加速,并且所形成的晶界也越厚。其次,应用微观相场法在原子层面上对合金有序-无序相转变进行仿真,以Al3Li合金作为具体研究对象,对其δ′相析出过程进行简单研究,探讨了δ′相沉淀机制、得出其粗化行为随有序相长大而发生。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 计算机显微组织模拟简介概述
• 1.1.1 概述
• 1.1.2 显微组织的一般模拟方法
• 1.1.3 计算机模拟的未来发展方向
• 1.2 相场法概述
• 1.2.1 相场法的特点
• 1.2.2 相场法的应用
• 1.2.3 相场法在晶粒长大模拟中的应用
• 1.2.3.1 正常、异常晶粒长大
• 1.2.3.2 Zener钉扎
• 1.2.3.3 织构形成
• 1.3 微观相场法
• 1.3.1 微观相场模型的研究进展
• 1.4 本文的研究目标和主要研究内容
• 第二章 晶粒长大及合金无序—有序相转变相场模型的建立
• 2.1 单相多晶晶粒长大的动力学模型
• 2.1.1 多晶材料微观组织的描述
• 2.1.2 构建局域自由能密度函数
• 2.2 沉淀过程的动力学模型
• 2.2.1 模型的基本假设
• 2.2.2 微扩散方程
• 2.2.3 微观朗之万（Langevin）方程
• 第三章 相场法模拟二维单相多晶正常晶粒长大
• 3.1 数据结构
• 3.2 初始组织结构的生成
• 3.3 数值计算处理方法
• 3.4 计算流程
• 3.5 组织的可视化
• 3.6 模拟结果
• 3.6.1 漫散界面
• 3.6.2 晶粒长大过程中组织形貌的演化
• 3.6.3 晶粒组织表征
• 3.6.3.1 晶粒尺寸
• 3.6.3.2 晶粒尺寸分布
• i的影响'>3.6.4 能量梯度系数k_i的影响
• 第四章 微观相场法模拟二维合金无序—有序相转变
• 4.1 合金体系选择
• 4.2 体系自由能与参数的确定
• 4.3 三维空间的维投影
• 4.4 合金浓度与模拟环境的选择
• 4.5 合金初始形貌的生成与计算流程
• 4.6 模拟结果
• 4.6.1 相的粗化
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文