织构材料再结晶退火的蒙特卡罗模型及其模拟研究

论文摘要

随着计算机仿真技术的发展,材料的制备科学正从传统的正向研究向逆向研究过渡,基于材料的性能来设计其成分、微观组织结构及其形成工艺已成为可能。变形及热处理工序对于金属材料的微观组织结构形成过程及其最终性能至关重要,其中,退火工艺及其所对应的再结晶组织和织构的演变直接决定了冷变形织构材料最终组织结构和性能。织构是多晶体材料中晶粒取向偏离随机分布的一种介观结构,其存在状态导致了材料性能的相应变化,引起了国际材料学界的广泛关注。近些年来,材料制备过程中织构形成-演变规律及其机理已成为研究热点,特别是开展织构材料退火组织演变的模拟研究更为必要。Monte Carlo（MC）方法是以概率和统计学理论为基础的一种数值计算方法,其所属的MC Potts模型具有分析复杂组织与可视化仿真的能力,在理想材料晶粒长大和再结晶模拟中已得到成功应用,这为织构材料退火组织演变模型及其模拟研究奠定了良好基础。因此,为了初步实现织构材料再结晶组织及其织构变化规律的模拟预报,进行织构材料退火工艺优化的模拟试验,深入认识材料再结晶组织及其织构的变化和形成机制,进一步探讨再结晶织构形成理论,丰富材料微观组织结构变化过程的模拟研究和计算材料学理论,本文采用MC方法进行了织构材料退火组织演变的建模及其模拟研究,这一研究具有重要的理论意义和实际价值。首先,鉴于建模和模拟结果分析的需要,本文自主开发了一些相关的关键模拟技术,主要包括:提出了一种新的晶粒尺寸统计方法;给出了两种晶粒边数统计方法及用途;通过三参数非线性拟合方法,很好地解决了传统晶粒长大拟合方法精度偏低的问题;采用一种改进的Voronoi模型以生成不同的平均应变和晶粒尺寸分布的模拟初始组织。其次,全面研究了二维正常晶粒长大MC模型中“点阵类型”、“结点的选择方法”、“能量计算过程考虑邻近结点的情况’’和“新取向的选择方法”等不同模型参数对晶粒长大过程的影响,通过晶粒长大指数和模拟效率的综合分析,发现了最优的参数组合模型,即“六边形点阵”、“随机选择结点”、“能量计算考虑最邻近和次邻近结点”和“从邻近结点中选择新取向”的组合最理想。随后,为了拓展模拟研究范围,提出了一个三维六方点阵正常晶粒长大MC模型,并与三维立方点阵正常晶粒长大MC模型的模拟结果进行了全面对比,所模拟的晶粒尺寸和晶粒面数分布与三维立方点阵模型和现有理论分析均吻合,而考虑“更大范围邻近结点”的能量计算方式的这一模型所模拟的晶粒长大指数更接近理论值。然后,基于二维正常晶粒长大MC优化模型,创建了一个新的织构材料晶粒长大MC模型。该模型采用欧拉角表示晶粒取向,使得晶粒取向、织构和取向差具有实际意义;使得晶界各向异性对晶粒长大的影响更接近实际。在初始组织中可以依据实验设定织构状态,模拟织构对晶粒长大的影响。与传统的MC模型相比,该模型不仅适合于织构材料正常晶粒长大的模拟,而且可用于异常晶粒长大的模拟。对于晶粒尺寸近似呈对数正态分布且具有单一立方织构的初始组织的异常晶粒长大过程模拟表明,平均晶粒尺寸随织构半峰宽增加而变大;织构体积分数总体影响较小,只在半峰宽较小且体积分数很大时才抑制晶粒长大;平均晶粒长大速度受到晶界能量、迁移率和异常长大晶粒数量的影响。再者,基于织构材料晶粒长大MC模型、相关的实验研究和以前建立的二维再结晶MC模型,创建了一个新的具有明确物理基础的织构材料变温回复-再结晶模型。该模型采用塑性变形理论或EBSD实验方法构建介观初始储能场;考虑了织构对回复阶段储能变化以及亚晶长大的影响;形核遵循亚晶异常长大形核机制;针对不同材料的再结晶织构发展特点,在再结晶形核-长大模型中分别引入定向形核机制和选择生长机制;考虑了退火温度变化对再结晶退火过程组织演变的影响。相应的模拟研究所揭示的变形量和退火温度对于再结晶组织演变的影响规律与相关实验和现有再结晶理论一致。最后,综合所创建的二维织构材料晶粒长大和再结晶MC模型,本文得到了一个全面考虑织构对材料再结晶退火过程组织演变影响的二维织构材料退火组织模拟模型。且分别针对冷轧ELC-BH钢板及1060（L2）工业纯铝板进行了退火实验和模拟研究,证实了该模型是合理的且较好地模拟了实际变形织构材料的再结晶退火过程组织演变。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 立题背景、目的及意义
• 1.2 冷轧金属材料组织和性能
• 1.3 冷轧金属材料再结晶退火规律及其机理
• 1.3.1 回复
• 1.3.2 初次再结晶
• 1.3.3 晶粒长大
• 1.4 退火再结晶过程中织构的变化规律
• 1.4.1 再结晶织构形成理论
• 1.4.2 织构对晶粒长大的影响
• 1.5 再结晶退火过程组织模拟研究现状
• 1.5.1 再结晶退火过程模型研究
• 1.5.2 MC Ports模型的研究现状及存在的问题
• 1.6 本文技术路线和研究内容
• 1.6.1 技术路线
• 1.6.2 研究内容
• 第二章 Monte Carlo模拟基本理论及模型
• 2.1 前言
• 2.2 MC方法理论基础及其在统计物理中的解决方案
• 2.2.1 MC方法统计学基础
• 2.2.2 MC方法在统计物理中的解决方案
• 2.3 随机数
• 2.3.1 均匀分布随机数的产生
• 2.3.2 非均匀分布随机数的产生
• 2.4 自旋MC模型
• 2.4.1 1/2自旋Ising模型及其MC方法求解
• 2.4.2 Q态波茨（Q-state Potts）自旋模型及其MC方法求解
• 2.5 基本的再结晶MC Potts模型及关键技术
• 2.5.1 基本的再结晶MC Potts模型
• 2.5.2 再结晶模拟的关键技术
• 2.6 模拟假设及数据处理
• 2.7 本章小结
• 第三章 二维正常晶粒长大MC模型及其模拟研究
• 3.1 前言
• 3.2 正常晶粒长大的基本特征
• 3.2.1 正常晶粒长大动力学
• 3.2.2 晶粒长大拓扑特征
• 3.3 晶粒长大模型
• 3.3.1 基本的晶粒长大MC模型的算法
• 3.3.2 晶粒尺寸和晶粒边数的统计
• 3.4 晶粒长大指数的拟合
• 3.4.1 对数-对数线性拟合
• 3.4.2 三参数非线性拟合
• 3.5 产生初始组织的方法
• 3.5.1 Voronoi模型
• 3.5.2 权重的Voronoi模型
• 3.5.3 改进的Voronoi模型
• 3.5.4 利用改进的Voronoi模型生成变形初始组织
• 3.6 不同模型参数对模拟结果的影响
• 3.6.1 MC模型的改进
• 3.6.2 初始组织和模拟参数
• 3.6.3 不同程序的晶粒长大指数
• 3.6.4 不同程序的模拟效率
• 3.6.5 晶粒尺寸和晶粒边数分布
• 3.6.6 模型温度对晶粒长大指数的影响
• 3.7 本章小结
• 第四章 三维正常晶粒长大MC模型及其模拟研究
• 4.1 前言
• 4.2 三维晶粒长大MC模型
• 4.2.1 立方点阵三维MC模型
• 4.2.2 六方点阵三维MC模型
• 4.3 立方点阵模型与六方点阵模型的对比
• 4.3.1 模拟的初始条件
• 4.3.2 模拟结果及讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 织构材料的二维晶粒长大MC模型及其模拟研究
• 5.1 前言
• 5.2 晶粒取向与织构
• 5.2.1 晶粒取向
• 5.2.2 织构的概念
• 5.2.3 取向的表达方法
• 5.3 晶粒取向差
• 5.3.1 晶粒取向差的表示方法
• 5.3.2 晶粒取向差的实际计算
• 5.4 欧拉角表示晶粒取向的晶粒长大MC模型及其模拟
• 5.4.1 MC模拟的基本过程以及模拟的初始条件
• 5.4.2 模拟结果与讨论
• 5.5 织构诱发异常晶粒长大影响的MC模拟
• 5.5.1 模拟的条件和初始组织
• 5.5.2 模拟结果与讨论
• 5.6 本章小结
• 第六章 织构材料的再结晶MC模型及其模拟研究
• 6.1 前言
• 6.2 相关实验及理论研究
• 6.2.1 晶粒尺寸对储能的影响
• 6.2.2 晶界对储能的影响
• 6.2.3 晶粒取向对储能的影响
• 6.3 初始储能场的构建
• 6.3.1 变形功与储能
• 6.3.2 介观初始储能场及其相应模拟能量场的构建
• 6.4 回复模型
• 6.5 再结晶模型
• 6.5.1 晶异常长大形核模型
• 6.5.2 晶核长大过程
• 6.5.3 实时转换
• 6.5.4 温度的转变
• 6.5.5 模拟流程
• 6.6 模型的验证
• 6.6.1 温度对再结晶过程的影响
• 6.6.2 下率对再结晶过程的影响
• 6.7 本章小结
• 第七章 再结晶模型的实验检验
• 7.1 前言
• 7.2 ELC-BH板的退火实验及其模拟研究
• 7.2.1 实验材料及实验方案
• 7.2.2 模拟条件
• 7.2.3 模拟与实验结果分析
• 7.3 工业纯铝板退火实验及其模拟研究
• 7.3.1 实验材料及实验方案
• 7.3.2 模拟条件
• 7.3.3 模拟与实验结果分析
• 7.4 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 主要工作及创新性成果
• 8.2 进一步研究工作的建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间完成的论文及参与的项目
• 英文论文
• 学位论文评阅及答辩情况表