基于Monte Carlo方法的材料退火过程模拟模型及计算机仿真关键技术研究

论文摘要

材料科学和计算机技术的进步，使得材料研究的性质正在发生变化。随着材料的计算机模型化和仿真技术的发展，材料研究正从定性描述进入定量描述阶段。由此，一些学者提出了“材料设计”的概念，从材料组分、微观结构出发，借助计算机计算，估计材料的性质，并选定控制材料微观结构和性质的合成方法，以便生成满足应用要求的功能材料。由于材料微观组织对其性能起着决定性的作用，微观组织设计成为材料设计的一个重要层次。通过组织及其演变过程的建模和可视化仿真实现退火过程微观组织设计，可以更好的认知和控制退火组织，优化退火工艺，开发高性能材料。因此，冷变形金属再结晶退火过程微观组织结构的模拟具有重要的理论意义和使用价值。 Monte Carlo Potts模型（简称MC Potts模型）具有可分析复杂组织和可视化仿真等能力，本文采用MC Potts模型作为模拟的工具，研究的重点在于计算机模型的建立和组织模拟关键技术的研究：从MC基础理论、模型应用研究入手，结合退火过程中形核、再结晶和晶粒长大物理冶金基础，对现有MC模拟模型进行改进，提出了新的二维再结晶、晶粒长大MC Potts模型、新的再结晶形核模型和实时计算模型；系统地研究了退火过程组织演变计算机模拟和仿真的关键技术；应用以上改进模型和计算机关键技术编写了一个等温退火过程组织模拟的核心程序，模拟超低碳高强度烘烤硬化钢板（ELC-BH钢板）连续退火过程，并与实验结果作了对照。 MC方法是以概率和统计学的理论、方法为基础的一种数值计算方法。它将所求解问题转换成事件概率模型，用计算机实现抽样，得到这个事件出现的频率，或者事件的概率平均值，并用它们作为问题的解。在热力学研究领域，Metropolis方法是正则系统中最为有效的抽样方法。本文采用Metropolis抽样方法作为退火组织模拟解决问题的方法，其中，微观状态的转变几率w的设计和细微平衡条件建立是实现Metropolis抽样的关键，是组织模拟建模的基本研究内容。 Ising模型和Potts模型是MC方法应用于热力学过程的两个基础模型。Ising模型是描述铁磁体自旋状态的两态物理图样模型，Potts模型是解决多态问题的物理图样模型。Potts模型和通过Metropolis抽样的MC方法构成退火

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 立题的背景、目的及意义
• 1.2 退火过程物理冶金理论研究
• 1.2.1 冷轧金属材料组织和性能
• 1.2.2 退火机理及其物理作用
• 1.2.3 回复机理
• 1.2.4 再结晶形核理论
• 1.2.5 再结晶理论
• 1.2.6 正常晶粒长大理论
• 1.2.7 异常晶粒长大理论
• 1.3 退火过程物理冶金实验研究
• 1.4 退火过程计算机模拟研究
• 1.4.1 数值模拟模型研究
• 1.4.2 组织模拟模型研究
• 1.5 本文研究目标、研究内容和研究路线
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 研究路线
• 第二章 Monte Carlo方法及其在热力学过程应用模型
• 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 Ising模型及其MC方法求解
• 2.3.1 Ising模型简介
• 2.3.2 MC方法解Ising模型方法和步骤
• 2.3.3 Ising模型用于多晶体组织模拟的局限性
• 2.4 Potts模型及其MC方法求解
• 2.4.1 Potts模型及其求解过程
• 2.4.2 晶粒长大基本MC Potts模型及其算法
• 2.4.3 晶粒长大MC Potts模型及算法的改进历程
• 2.4.4 退火再结晶基本Potts模型及MC算法
• 2.5 本章小结
• 第三章 退火过程Monte Carlo组织模拟计算机关键技术
• 3.1 模拟路径
• 3.2 晶粒长大模拟的关键技术
• 3.2.1 模拟假设
• 3.2.2 点阵生成的技术方法
• 3.2.3 初始组织生成方法
• 3.2.4 结点能量赋值方法
• 3.2.5 晶粒长大过程组织演变的模拟技术
• 3.2.6 晶粒长大过程组织可视化仿真关键技术
• 3.3 再结晶模拟的关键技术
• 3.3.1 模拟假设
• 3.3.2 再结晶模拟初始组织建立方法—网格变换法
• 3.3.3 结点能量赋值方法
• 3.3.4 形核过程的模拟技术
• 3.3.5 再结晶过长组织演变的模拟技术
• 3.3.6 再结晶过程组织可视化仿真关键技术
• 3.4 组织特征统计计算技术
• 3.4.1 形核率计算
• 3.4.2 再结晶分数统计计算
• 3.4.3 晶粒尺寸计算
• 3.4.4 晶粒尺寸分布计算
• 3.5 核心程序与应用程序的连接
• 3.6 本章小结
• 第四章 一个晶粒长大二维Monte Carlo模拟新模型（RSGP）
• 4.1 晶粒长大的特征描述
• 4.1.1 正常晶粒长大特征
• 4.1.2 异常晶粒长大特征
• 4.2 晶粒长大二维Monte Carlo模拟新模型（RSGP）的建立
• 4.2.1 问题的提出
• 4.2.2 模型的改进
• 4.2.3 晶粒长大二二维MC Potts模型（RSGP）的建立及其实现技术
• 4.3 RSGP应用于正常晶粒长大过程的模拟
• 4.3.1 模拟条件
• 4.3.2 正常晶粒长大模拟结果分析
• 4.4 RSGP应用于异常晶粒长大过程的模拟
• 4.4.1 模拟条件
• 4.4.2 基于各向异性条件下的晶粒长大特征研究
• 4.4.3 异常晶粒长大影响因素分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 一个再结晶形核新模型（SAGN）
• 5.1 前言
• 5.2 SAGN模型的物理基础
• 5.2.1 亚晶异常长大理论与实验研究
• 5.2.2 亚晶异常长大实验结论
• 5.3 SAGN模型的建立及其实现技术
• 5.3.1 模型建立的思路
• 5.3.2 初始参数实验确定
• 5.3.3 SAGN模型建立的技术路线
• 5.3.4 形核模型的计算机实现技术
• 5.4 本章小结
• 第六章 一个二维再结晶Monte Carlo模拟新模型（RSRP）
• 6.1 退火再结晶特征规律
• 6.2 再结晶二维Monte Carlo模拟新模型（RSRP）的建立
• 6.2.1 问题的提出
• 6.2.2 模型的改进
• 6.2.3 再结晶二维MC Potts模型（RSRP）的建立及其实现技术
• 6.3 RSRP模型应用于退火再结晶过程的模拟
• 6.3.1 模拟条件
• 6.3.2 模拟结果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 超低碳烘烤硬化钢板（ELC-BH板）退火实验及二维MC Ports模型模拟研究
• 7.1 ELC-BH板简介
• 7.2 实验材料及实验方案
• 7.2.1 材料成份
• 7.2.2 实验工艺过程
• 7.2.3 热轧、冷轧工艺实验
• 7.2.4 退火实验过程
• 7.2.5 金相组织观察
• 7.2.6 硬度的测试
• 7.3 模拟程序
• 7.4 模拟初始条件
• 7.5 模拟结果与实际结果对照
• 7.5.1 退火过程及再结晶分数曲线
• 7.5.2 退火组织图像
• 7.6 本章小结
• 第八章 结论
• 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
• 学位论文评阅及答辩情况表