基于Monte Carlo方法的材料退火過程模擬模型及計(jì)算機(jī)仿真關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，使得材料研究的性質(zhì)正在發(fā)生變化。隨著材料的計(jì)算機(jī)模型化和仿真技術(shù)的發(fā)展，材料研究正從定性描述進(jìn)入定量描述階段。由此，一些學(xué)者提出了“材料設(shè)計(jì)”的概念，從材料組分、微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，借助計(jì)算機(jī)計(jì)算，估計(jì)材料的性質(zhì)，并選定控制材料微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的合成方法，以便生成滿足應(yīng)用要求的功能材料。由于材料微觀組織對(duì)其性能起著決定性的作用，微觀組織設(shè)計(jì)成為材料設(shè)計(jì)的一個(gè)重要層次。通過組織及其演變過程的建模和可視化仿真實(shí)現(xiàn)退火過程

2、微觀組織設(shè)計(jì)，可以更好的認(rèn)知和控制退火組織，優(yōu)化退火工藝，開發(fā)高性能材料。因此，冷變形金屬再結(jié)晶退火過程微觀組織結(jié)構(gòu)的模擬具有重要的理論意義和使用價(jià)值。 Monte Carlo Potts模型(簡(jiǎn)稱MC Potts模型)具有可分析復(fù)雜組織和可視化仿真等能力，本文采用MC Ports模型作為模擬的工具，研究的重點(diǎn)在于計(jì)算機(jī)模型的建立和組織模擬關(guān)鍵技術(shù)的研究：從MC基礎(chǔ)理論、模型應(yīng)用研究入手，結(jié)合退火過程中形核、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大物理

3、冶金基礎(chǔ)，對(duì)現(xiàn)有MC模擬模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了新的二維再結(jié)晶、晶粒長(zhǎng)大MC Potts模型、新的再結(jié)晶形核模型和實(shí)時(shí)計(jì)算模型；系統(tǒng)地研究了退火過程組織演變計(jì)算機(jī)模擬和仿真的關(guān)鍵技術(shù)：應(yīng)用以上改進(jìn)模型和計(jì)算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)編寫了一個(gè)等溫退火過程組織模擬的核心程序，模擬超低碳高強(qiáng)度烘烤硬化鋼板(ELC-BH鋼板)連續(xù)退火過程，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了對(duì)照。 MC方法是以概率和統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論、方法為基礎(chǔ)的一種數(shù)值計(jì)算方法。它將所求解問題轉(zhuǎn)換成事件概率模

4、型，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)抽樣，得到這個(gè)事件出現(xiàn)的頻率，或者事件的概率平均值，并用它們作為問題的解。在熱力學(xué)研究領(lǐng)域，Metropolis方法是正則系統(tǒng)中最為有效的抽樣方法。本文采用Metropolis抽樣方法作為退火組織模擬解決問題的方法，其中，微觀狀態(tài)的轉(zhuǎn)變幾率w的設(shè)計(jì)和細(xì)微平衡條件建立是實(shí)現(xiàn)Metropolis抽樣的關(guān)鍵，是組織模擬建模的基本研究?jī)?nèi)容。 Ising模型和Potts模型是MC方法應(yīng)用于熱力學(xué)過程的兩個(gè)基礎(chǔ)模型。Isin

5、g模型是描述鐵磁體自旋狀態(tài)的兩態(tài)物理圖樣模型，Potts模型是解決多態(tài)問題的物理圖樣模型。Potts模型和通過Metropolis抽樣的MC方法構(gòu)成退火組織模擬的模型基礎(chǔ)。 再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大過程MC Potts模型模擬的通用路徑為：生成點(diǎn)陣一根據(jù)模擬對(duì)象，生成初始組織一賦予結(jié)點(diǎn)能量一形核一組織演變模擬一組織圖像可視化仿真一組織特征統(tǒng)計(jì)計(jì)算。本文根據(jù)退火過程的MC模擬的路徑，深入研究了退火組織模擬的計(jì)算機(jī)關(guān)鍵技術(shù)。詳細(xì)介紹了三角形

6、點(diǎn)陣生成的關(guān)鍵技術(shù)，提出了在四邊形點(diǎn)陣基礎(chǔ)上，采用“抽點(diǎn)法”生成三角形點(diǎn)陣的新方法；研究了 MC 模擬初始組織生成的關(guān)鍵技術(shù)，提出了根據(jù)相似性原則生成冷軋變形組織的新方法，并對(duì)取向數(shù)進(jìn)行物理定義，讓每一個(gè)取向數(shù)都指向?qū)嶋H的晶粒取向；研究了形核和組織演變的圖像仿真關(guān)鍵技術(shù)；研究了組織特征的數(shù)值計(jì)算方法，根據(jù)物理概念，建立了組織特征(形核率、再結(jié)晶分?jǐn)?shù)、晶粒尺寸及其分布等)統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法。 在晶粒長(zhǎng)大MC模擬建模方面，本文提出結(jié)點(diǎn)再取

7、向時(shí)應(yīng)遵循的“擇優(yōu)轉(zhuǎn)換原則”，即結(jié)點(diǎn)再取向時(shí)的新取向數(shù)選擇使體系能量降幅最大的取向數(shù)、新的結(jié)點(diǎn)取向轉(zhuǎn)換概率公式和新的實(shí)時(shí)計(jì)算模型等新觀點(diǎn)。根據(jù)“擇優(yōu)轉(zhuǎn)換原則”，結(jié)點(diǎn)取向轉(zhuǎn)換時(shí)確保晶界向其曲率中心移動(dòng)，以致模擬的晶界的遷移更符合其物理本質(zhì)；新的結(jié)點(diǎn)取向轉(zhuǎn)換概率公式和新的實(shí)時(shí)計(jì)算模型以TurnbuII晶界遷移速率方程為其物理基礎(chǔ)。在以上新觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文構(gòu)建一個(gè)新的晶粒長(zhǎng)大二維MC Potts模型(RSGP模型)，并應(yīng)用該模型研究了各向同

8、性晶界能和晶界遷移率條件下正常晶粒長(zhǎng)大過程微觀組織演變、動(dòng)力學(xué)及晶粒尺寸分布等特征，并將研究結(jié)果與正常晶粒長(zhǎng)大理論、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)有模型模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果好于現(xiàn)有模型，與理論、試驗(yàn)結(jié)果相符的較好。應(yīng)用RSGP模型研究了各向異性晶界能和晶界遷移率條件下晶粒長(zhǎng)大特征，各向異性使晶粒變得不均勻、不規(guī)則，降低了晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)指數(shù)，晶粒尺寸分布變寬，偏離對(duì)數(shù)正態(tài)分布。研究了初始組織織構(gòu)強(qiáng)度對(duì)晶粒長(zhǎng)大行為的影響，研究發(fā)現(xiàn)織構(gòu)強(qiáng)度明顯

9、影響晶粒長(zhǎng)大行為，異常晶粒長(zhǎng)大出現(xiàn)在中等織構(gòu)強(qiáng)度的組織中，而不會(huì)在太強(qiáng)或太弱織構(gòu)組織中出現(xiàn)，此時(shí)的晶粒長(zhǎng)大屬于各向異性條件下的正常晶粒長(zhǎng)大。理論分析了引起異常晶粒長(zhǎng)大的原因，研究發(fā)現(xiàn)各向異性晶界能和晶界遷移率是異常晶粒長(zhǎng)大的內(nèi)因，織構(gòu)是異常晶粒長(zhǎng)大的外因。 以Huang和Humphreys A1-Si0.05％Si單晶材料亞晶異常長(zhǎng)大研究為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，以Holm模型為模型基礎(chǔ)，建立了一個(gè)新的亞晶異常長(zhǎng)大形核模型(SAGN模型)。

10、相對(duì)于Holm模型，新形核模型給出了明確的形核判據(jù)和詳細(xì)的形核過程，結(jié)點(diǎn)形核與形核時(shí)間具有相關(guān)性。 在再結(jié)晶MC模擬建模方面，本文提出了一個(gè)生成初始組織的方法一網(wǎng)格變化法，較真實(shí)地模擬退火初始組織(即冷軋組織)；基于實(shí)際的冷變形材料組織中儲(chǔ)存能分布規(guī)律，提出了一個(gè)儲(chǔ)存能非均勻分布模型；對(duì)結(jié)點(diǎn)再取向選取方式進(jìn)行改進(jìn)，根據(jù)“擇優(yōu)轉(zhuǎn)換原則”選取結(jié)點(diǎn)新的取向數(shù)，保證了已再結(jié)晶晶粒之間競(jìng)爭(zhēng)長(zhǎng)大時(shí)晶界向其曲率中心移動(dòng)，也保證了再結(jié)晶時(shí)已再結(jié)晶

11、晶粒吞噬未再結(jié)晶晶粒，避免了未再結(jié)晶晶粒吞噬已再結(jié)晶晶粒以及為未再結(jié)晶晶粒長(zhǎng)大互相吞噬：基于Turnbull晶界遷移速率方程，建立了一個(gè)新的結(jié)點(diǎn)再取向轉(zhuǎn)換概率公式；基于Turnbull晶界遷移速率方程，建立實(shí)時(shí)計(jì)算模型。綜合以土改進(jìn)措施和SAGN模型，本文建立了一個(gè)新的再結(jié)晶二維MC Potts模型(RSKP模型)，并以冷軋高純鋁板為初始條件，模擬的非均勻形核結(jié)果與理論、實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果一致，證明SAGN形核模型是正確的；模擬了退火再結(jié)晶過

12、程，模擬的組織演變、動(dòng)力學(xué)特征規(guī)律與再結(jié)晶理論規(guī)律、實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，模擬的Avrami指數(shù)小于JMAK預(yù)測(cè)值2，但與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。模擬結(jié)論證明了RSRP模型可以有效的模擬和仿真材料再結(jié)晶過程。 以ELC-BH鋼板為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)研究了連續(xù)退火工藝過程；綜合形核SAGN模型、再結(jié)晶RSRP模型、晶粒長(zhǎng)大RSGP模型和實(shí)時(shí)計(jì)算模型等，編制了等溫退火模擬程序，模擬了ELC-BH鋼板連續(xù)退火工藝過程。模擬的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)曲線與實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)的曲線基

13、本一致，模擬的再結(jié)晶時(shí)間略大于實(shí)測(cè)時(shí)間；模擬的初始冷軋組織、形核和再結(jié)晶組織、晶粒長(zhǎng)大組織與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果一致，只是再結(jié)晶后的組織晶粒度較小。文章最后分析了模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差分析，提出模型完善和材料參數(shù)精確化的研究方向。以上模擬結(jié)果證明了采用本文建立的MC模擬程序可以較好的模擬和仿真實(shí)際退火過程，采用計(jì)算機(jī)模擬輔助實(shí)驗(yàn)研究退火工藝是切實(shí)可行的。 在再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大模擬過程中，模擬的實(shí)際時(shí)間t<,real>與模擬時(shí)間t<,MC