晶粒析出长大的计算机模拟

论文摘要

材料科学和计算机技术的进步,使得材料研究正从定性描述进入定量描述阶段。近年来,国内外研究者提出了许多基于蒙特卡洛方法(MC法)和元胞自动机方法(CA法)的晶粒长大的模型,为晶粒长大的研究开辟了一条新途径。为此,本论文应用改进蒙特卡洛方法,模拟了晶粒长大过程。首先,应用Monte Carlo(MC)法模拟在周期性边界条件下的晶粒长大行为。利用MC法模拟时,晶界处格点的迁移引起晶粒的长大,根据这一主要特征提出一种精确快速的测定晶粒度的新方法—递归统计法,然后采用递归统计方法测量晶粒度,并与截点法比较。结果表明,递归统计法测得的晶粒度比截点法的更精确,而且测量精确度不受模型的格点类型以及晶粒的尺寸、形状等的影响,测量速度比其他统计方法要快。其次,运用Radhakrishnan等人改进的算法重现了正常晶粒长大的模拟过程,接着运用该算法首次研究了弥散相第二相粒子存在情况下的正常晶粒长大,结果表明改进算法一样适合于模拟这种情况下的晶粒生长,而且模拟效率比Srolovitz基本算法高,结果也和理论符合的很好。然后,运用改进的算法探索了异常晶粒长大的过程,经改进的算法运用在异常晶粒长大的模拟上仍然有比较高的模拟效率并且得到与理论符合得比较好的结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 引言
• 1.2 材料计算与设计概述
• 1.2.1 材料计算机模拟研究的意义
• 1.2.2 材料模拟方法与模拟层次
• 1.2.3 材料微结构及其计算尺度
• 1.3 材料微结构的计算机模拟方法
• 1.3.1 蒙特卡罗（MC）方法
• 1.3.2 Monte Carlo法对晶粒长大过程的模拟
• 1.3.2.1 Potts模型和Voronoi模型
• 1.3.2.2 正常晶粒长大的模型
• 1.3.2.3 异常晶粒长大的模型
• 1.4 Monte Carlo方法模拟晶粒长大过程的发展现状
• 1.5 本文的研究内容
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 主要研究内容和技术路线
• 参考文献
• 第二章 Monte Carlo法及其模型的建立
• 2.1 引言
• 2.2 随机数的产生
• 2.2.1 平方取中法
• 2.2.2 移位指令加法
• 2.2.3 同余法
• 2.3 Metropolis算法
• 2.3.1 Metropolis基本算法
• 2.3.2 Metropolis改进算法
• 2.4 模型的建立及模拟过程
• 2.4.1 开发环境
• 2.4.2 数据结构
• 2.4.3 周期性边界条件的引入
• 2.4.4 初始组织的生成
• 2.4.5 晶粒长大过程的演化
• 2.5 模拟结果的计算机图像处理
• 参考文献
• 第三章 测量晶粒度的递归统计法
• 3.1 引言
• 3.2 模型的分级
• 3.2.1 Potts模型
• 3.2.2 模型的分级
• 3.3 递归统计方法
• 3.4 递归统计法与其他方法的比较
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 二维空间下正常晶粒长大的模拟
• 4.1 引言
• 4.2 建立模型
• 4.2.1 正常晶粒长大的模型
• 4.2.2 存在第二相粒子的模型
• 4.2.2.1 第二相粒子形状与大小
• 4.2.2.2 弥散的第二相粒子
• 4.2.3 模拟试验参数的设定
• 4.3 模拟实验结果及分析
• 4.3.1 晶粒微观组织的演变
• 4.3.1.1 正常晶粒的长大
• 4.3.1.2 静态第二相粒子影响晶粒的长大
• 4.3.1.3 弥散第二相粒子影响晶粒的长大
• 4.3.2 晶粒长大指数
• 4.3.2.1 静态第二相粒子对晶粒长大指数的影响
• 4.3.2.2 弥散第二相粒子对晶粒长大指数的影响
• 4.3.3 晶粒形态及其分布
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 二维空间下异常晶粒长大的模拟
• 5.1 引言
• 5.2 建立模型
• 5.2.1 A.D.Rollett和D.J.Srolovitz的物理模型
• 5.2.2 各向异性的晶界迁移率带来的影响
• 5.3 模拟过程的计算机处理步骤
• 5.4 模拟的微观组织形态
• 5.4.1 只有一个大异常晶粒的模拟
• 5.4.2 占有一定面积比的异常晶粒的模拟
• 5.5 结果分析与处理方法
• 5.6 小结
• 参考文献
• 第六章 总结
• 6.1 递归统计法测定晶粒度
• 6.2 改进的Monte Carlo方法模拟晶粒析出长大的特点
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录