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论自动机二相粒子材料动态再结晶行为元胞自动机模型与其模拟怎样

收藏本文 2024-03-22 点赞:21460 浏览:88198 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:随着材料科学和计算机仿真技术的进展,材料制备科学正以传统的正向探讨向逆向探讨过渡:以材料的组分、微观组织结构出发,借助计算机模拟来设计工艺和预测材料性能,以便生产满足利用要求的材料。材料中有着的第二相粒子主要是加入合金元素以改善性能的产物。其中,随着合金化和控轧控冷技术的普遍运用,性能优越的合金钢和微合金钢不断得到开发和运用。这两类钢在热塑性变形历程中往往会形成一定数量和尺寸的第二相粒子,进而导致了它们的动态再结晶行为及其相应的微观组织变化,在很大程度上决定了最终钢材产品的组织结构和力学性能。元胞自动机(cellular automata,简称CA)模型是近年来进展起来的一种材料组织模拟模型,其算法结构简单、计算效率高,可直接考察系统局部交互作用及其产生的复杂行为对模拟系统的影响,在材料晶粒长大、静态再结晶和动态再结晶模拟中得到了成功运用。但是,在二相粒子材料动态再结晶行为模拟中的运用还未及时开展,特别是考虑位错密度非均匀分布的模拟模型也未见报道。构建含有第二相的材料动态再结晶CA模型不仅可以实现变形温度、应变速率、初始晶粒尺寸、非均匀变形、第二相粒子尺寸和体积分数等参数对流变应力、再结晶体积分数、稳态平均晶粒尺寸等动态再结晶表征参数影响的模拟探讨,为更好地认识和制约热塑性变形组织以优化热塑性变形工艺提供指导,而且进一步挖掘了CA模型的潜力,拓展了其运用范围。由此,及时展开二相粒子材料动态再结晶CA建模、模拟技术开发及其模拟探讨具有重要的论述和实际作用。本论文依据CA法、金属材料热变形物理冶金相关论述和相关实验结果,建立了位错密度均匀分布及位错密度非均匀分布的单相材料动态再结晶CA模型,随后引入第二相粒子的影响,创建了位错密度非均匀分布的二相粒子材料动态再结晶CA模型;自主开发了相关动态再结晶模拟的关键技术;采取Visual Fortran语言编制上面陈述的模型的运用程序,并通过系统的模拟探讨和相关的实验探讨对所建模型及其模拟关键技术的合理性和运用效果进行了检验。首先,依据热变形物理冶金学原理,在变形均匀和位错密度均匀分布的检测设前提下,建立了具有可靠物理机制的单相材料元胞自动机模型及其模拟算法,进行了相应的运用程序开发,并且以无氧高导电性铜(OFHC)为例,成功地模拟和解释了动态再结晶应力-应变曲线单峰/多峰现象。其次,考虑了材料热塑性变形时晶粒尺寸、晶界和局部缺陷等对位错运动及其分布的影响机制,提出了位错密度非均匀分布模型,并据其建立了新的单相材料动态再结晶CA模型。对相同变形条件下HPS485wf钢的动态再结晶仿真结果比较表明,新模型较原模型更有效地模拟了动态再结晶历程,位错密度非均匀模型更接近实际。运用新模型全面、合理地模拟和探讨了单一变形参数对HPS485wf钢动态再结晶行为的影响规律。然后,根据细小弥散的第二相粒子和大尺寸的第二相粒子对动态再结晶行为的影响机制,在新的单相材料动态再结晶CA模型的基础上,创建了位错密度非均匀分布的二相粒子材料动态再结晶CA模型。该模型综合考虑了第二相粒子对位错密度累积、动态再结晶形核及再结晶晶粒长大的影响,模拟结果较好地反映了第二相尺寸、体积分数及动态析出对动态再结晶组织演变、动力学的影响规律,且经受了相关实验和论述的有效检验。最后,为了验证本论文创建的二相粒子材料动态再结晶CA模型的合理性及其运用效果,以典型二相粒子材料Q420qE钢为探讨对象,进行了动态再结晶历程的热模拟实验探讨;采取这一模型模拟了该钢的动态再结晶历程,并与热模拟实验相应结果进行了比较。结果表明:本论文所建模型较准确地模拟了该钢动态再结晶形核位置、动态再结晶晶粒长大组织及动态再结晶完成时的微观组织;模拟的动态再结晶力学、动力学变化规律及变形参数对动态再结晶行为的影响规律与相关论述及热模拟实验结果相符合;同时,由于模型检测设和实验精度等的影响,动态再结晶速度模拟值与实际值之间有着一定误差,进一步改善该模型有助于提升模拟精度以而提升其实际运用价值。关键词:第二相粒子论文动态再结晶论文元胞自动机论文模型论文计算机仿真论文

    摘要13-15

    ABSTRACT15-18

    第一章 绪论18-46

    1.1 立题背景、目的及作用18-21

    1.2 动态再结晶论述及实验探讨21-33

    1.2.1 动态再结晶及其基本特点21-22

    1.2.2 动态再结晶论述22-30

    1.2.3 动态再结晶实验探讨30-31

    1.2.4 第二相的热变形析出及其对动态再结晶的影响31-33

    1.3 动态再结晶模拟探讨33-43

    1.3.1 动态再结晶数值模拟34-38

    1.3.2 动态再结晶组织演变模拟38-43

    1.4 本论文的技术路线和探讨内容43-46

    1.4.1 技术路线43

    1.4.2 探讨内容43-46

    第二章 元胞自动机模型及其在动态再结晶模拟中的运用46-60

    2.1 元胞自动机模型的基础知识46-50

    2.1.1 元胞自动机及其构成要素46-49

    2.1.2 元胞自动机的特点49-50

    2.2 基于CA模型的动态再结晶微观组织演变模拟关键技术50-58

    2.2.1 CA网格的生成技术50-51

    2.2.2 多轮次动态再结晶组织演变的可视化仿真51-57

    2.2.3 模拟组织的统计计算57-58

    2.3 模拟检测设58-59

    2.3.1 组织结构理想化检测设58

    2.3.2 驱动力检测设58

    2.3.3 再结晶晶粒长大检测设58

    2.3.4 各向异性检测设58-59

    2.3.5 模拟结果浅析检测设59

    2.4 本章小结59-60

    第三章 单相材料动态再结晶CA模型60-82

    3.1 前言60

    3.2 动态再结晶元胞自动机模型的建立60-68

    3.2.1 动态再结晶论述模型60-67

    3.2.2 元胞自动机法模拟动态再结晶组织演变的基本流程67-68

    3.3 模型的模拟及其验证68-80

    3.3.1 模拟采取的初始组织68-70

    3.3.2 边界条件70

    3.3.3 Zener-Hollomon因子对动态再结晶单峰/多峰现象影响的模拟探讨70-76

    3.3.4 初始晶粒尺寸对动态再结晶单峰/多峰现象影响的模拟探讨76-80

    3.4 本章小结80-82

    第四章 单相材料动态再结晶新介观位错密度模型及其模拟探讨82-106

    4.1 前言82

    4.2 相关实验及论述探讨82-86

    4.2.1 晶粒尺寸对位错密度的影响82-84

    4.2.2 晶界对位错密度的影响84-85

    4.2.3 局部畸变对变形材料位错密度的影响85-86

    4.3 动态再结晶新介观位错密度分布模型的构建86-89

    4.3.1 不同晶粒间位错密度的分布86-87

    4.3.2 晶粒内部位错密度的空间分布87-88

    4.3.3 新介观位错密度模型的建立88-89

    4.4 模拟基本流程89-91

    4.5 新介观位错密度分布模型的验证及模拟探讨91-104

    4.5.1 新介观位错密度模型的验证91-97

    4.5.2 变形参数影响动态再结晶行为的介观模拟探讨97-104

    4.6 本章小结104-106

    第五章 二相粒子材料动态再结晶CA模型及其模拟探讨106-128

    5.1 前言106

    5.2 相关论述与实验探讨106-109

    5.2.1 第二相粒子对周围变形基体的影响106-107

    5.2.2 第二相粒子的激发形核效应107-109

    5.2.3 第二相粒子对晶界迁移的阻碍作用109

    5.3 二相粒子材料动态再结晶CA模型的建立109-114

    5.3.1 模型系统中二相粒子的检测设109-110

    5.3.2 二相粒子材料动态再结晶位错密度模型110

    5.3.3 二相粒子材料动态再结晶形核率模型110-111

    5.3.4 二相粒子材料动态再结晶晶粒长大动力学模型111-112

    5.3.5 模拟流程112-114

    5.4 模型的模拟及验证114-126

    5.4.1 细小弥散第二相粒子对动态再结晶行为影响的模拟探讨114-119

    5.4.2 粒子激发形核对动态再结晶行为影响的模拟探讨119-123

    5.4.3 考虑第二相粒子动态析出的动态再结晶模拟探讨123-126

    5.5 本章小结126-128

    第六章 二相粒子材料(Q420qE钢)动态再结晶实验及模拟探讨128-154

    6.1 前言128

    6.2 Q420qE钢热/力物理模拟实验128-143

    6.2.1 实验材料128-129

    6.2.2 实验案例129

    6.2.3 微观组织的观察129-130

    6.2.4 实验结果与浅析130-143

    6.3 第二相粒子的析出观察实验143-145

    6.3.1 实验条件和历程143-145

    6.3.2 实验结果和浅析145

    6.4 Q420qE钢动态再结晶模拟探讨145-153

    6.4.1 模拟条件145-146

    6.4.2 模拟结果与讨论146-153

    6.5 本章小结153-154

    第七章 结论与展望154-158

    7.1 主要工作及革新性成果154-155

    7.2 进一步探讨工作的倡议155-158

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