低碳钢中奥氏体向铁素体等温转变的相场法模拟

论文摘要

进入铁器时代以来,钢铁一直是人类社会所需的重要材料。近年来钢铁材料面临着陶瓷材料、高分子材料、有色金属材料等的挑战,但钢铁在材料领域仍扮演着重要角色,广泛应用于国民经济建设的各个领域。钢铁在材料行业中所占据的统治地位,在今后很长时期内不会改变,对钢铁材料性能的研究仍具有十分重要的意义。对相变的研究在钢铁材料性能研究方面具有极其重要的作用,相变影响着材料的物理、化学等各项性能指标。研究奥氏体-铁素体相变的热力学和动力学,建立材料制备加工工艺与其组织状态间的定量关系,对于设计材料成分和制备加工工艺以获得所需要的材料性能具有十分重要的意义。近年来,相场作为一种模拟材料微观组织演变的方法,越来越受到人们的重视,它是目前较为理想的相变组织模拟手段。本文通过所建立的相变模型成功模拟了奥氏体-铁素体转变中的等温扩散转变和块状转变。在等温扩散转变过程中,铁素体晶核逐渐长大,从铁素体相析出的过饱和碳原子不断向奥氏体相一侧转移,使铁素体-奥氏体界面处有明显的碳堆积,碳浓度不断升高,在奥氏体一侧建立了碳原子的浓度梯度。在此浓度梯度的驱动下,奥氏体相中界面处的碳原子向其内部扩散,导致远离界面的奥氏体相内部的碳原子浓度随相变的进行而不断升高。温度影响单晶核的等温扩散转变过程,同一转变时间时,奥氏体中碳浓度梯度随温度升高而减小;低温范围内,铁素体晶核长大速度随温度升高而加快,而高温范围内恰相反。在所模拟的等温块状转变过程中,碳在奥氏体-铁素体相界面处聚集,并且在界面移动过后,新形成的铁素体碳浓度并没有急剧的降低,而是与母相奥氏体中碳浓度相当,说明转变过程中两相界面处发生了碳的短程扩散,此转变为块状转变。所建相场模型及其应用程序具有较好的物理机制,其模拟结果所揭示的碳浓度变化规律和铁素体晶核长大规律与相变理论一致,为进一步采用相场理论进行奥氏体-铁素体转变的模拟研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 奥氏体-铁素体相变过程研究的方法
• 1.2.1 实验研究
• 1.2.2 计算机模拟
• 1.2.2.1 材料模拟中常用的模型
• 1.2.2.2 材料模拟中常用的方法
• 1.3 奥氏体-铁素体相变模型的发展
• 1.3.1 JMAK模型
• 1.3.2 扩散模型
• 1.3.3 混合控制模型
• 1.3.4 元胞自动机（Cellular Automaton）模型
• 1.3.5 蒙特卡罗（Monte Carlo）模型
• 1.3.6 相场（Phase Field）模型
• 1.4 本文研究的主要内容
• 第二章 金属固态相变理论
• 2.1 引言
• 2.2 金属固态相变主要类型
• 2.2.1 按平衡状态分类
• 2.2.1.1 平衡转变
• 2.2.1.2 非平衡转变
• 2.2.2 按原子迁移特征分类
• 2.2.2.1 扩散型相变
• 2.2.2.2 无扩散型相变
• 2.2.3 按热力学分类
• 2.2.3.1 一级相变
• 2.2.3.2 二级相变
• 2.3 相变驱动力
• 2.4 相变形核
• 2.4.1 均匀形核
• 2.4.2 不均匀形核
• 2.4.3 铁素体形核模型
• 2.5 长大规律
• 2.6 本章小结
• 第三章 相场模型的建立与数值求解
• 3.1 引言
• 3.2 相关理论
• 3.2.1 厄伦菲斯（P.Ehrenfest）对相变的分类
• 3.2.2 朗道的唯象理论（Landau Phenomenological Theory）
• 3.2.3 金兹堡—朗道（Ginzburg-Landau）相变理论
• 3.3 相场模型的建立
• 3.3.1 原理
• 3.3.2 系统自由能方程
• 3.3.3 相场控制方程
• 3.3.4 扩散控制方程
• 3.3.4.1 热力学推导
• 3.3.4.2 利用菲克扩散定律
• 3.3.5 边界的处理
• 3.4 模型的离散和数值求解
• 3.4.1 有限元法简介
• 3.4.2 有限差分法简介
• 3.4.3 相场控制方程的离散化
• 3.4.3.1 空间离散
• 3.4.3.2 时间离散
• 3.4.3.3 差分方程的建立
• 3.4.4 扩散控制方程的离散
• 3.5 本章小结
• 第四章 程序的实现及可视化处理
• 4.1 引言
• 4.2 主程序的开发
• 4.2.1 总体设计
• 4.2.2 初始条件和边界条件的设定
• 4.2.3 步长设定与稳定性
• 4.2.4 计算效率提高
• 4.3 MATLAB图形显示主程序的开发
• 4.3.1 MATLAB简介
• 4.3.2 MATLAB语言的应用
• 4.3.3 后处理程序的开发
• 4.4 本章小结
• 第五章 低碳钢中奥氏体转变的微观组织模拟及结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 模拟的初始条件
• φ、w和M_φ的确定'>5.3 三个重要相场参数k_φ、w和M_φ的确定
• 5.4 等温下扩散转变模拟
• 5.4.1 单个晶核等温扩散长大模拟
• 5.4.1.1 模拟条件
• 5.4.1.2 模拟结果及分析
• 5.4.2 两个晶核等温扩散长大模拟
• 5.4.2.1 模拟条件
• 5.4.2.2 模拟结果及分析
• 5.4.3 不同温度下等温扩散相变模拟的比较
• 5.4.3.1 模拟条件
• 5.4.3.2 模拟结果及分析
• 5.5 等温块状转变模拟
• 5.5.1 单个晶核等温块状转变模拟
• 5.5.1.1 模拟条件
• 5.5.1.2 模拟结果及分析
• 5.5.2 多晶核块状转变模拟
• 5.5.2.1 模拟条件
• 5.5.2.2 模拟结果及分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表