多晶材料晶粒生长格子Boltzmann模型及数值模拟

发布时间：2017-11-21 09:04

  本文关键词：多晶材料晶粒生长格子Boltzmann模型及数值模拟

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【摘要】：工程广泛使用的诸多金属材料都是多晶材料,其力学性能与材料内部结构形式(如晶粒尺寸、晶粒分布等)密切相关。研究表明材料的力学性能通常将随着系统平均晶粒尺寸的减小而增加,如纳米晶体金属材料表现出比其相应粗晶材料更高的强度和硬度。因此,理解晶粒的生长行为和规律对于控制材料微结构具有重要的意义,其将为制备高强高硬的先进材料提供理论依据。在过去的几十年里,为了预测晶粒生长的动力学行为,研究者们提出了许多晶粒生长的理论模型。然而,这些理论模型只能给出平均晶粒尺寸随时间的演化关系及多晶材料的尺寸分布等生长特征,对于复杂的晶粒生长过程(如拓扑结构演化、晶界交互等)难以进行准确地描述。近年来,计算机模拟成为探索晶粒生长动力学行为及微结构演化细节的有效工具,目前广泛采用的晶粒生长数值模型包括波茨模型、顶点模型和相场分析模型等。然而这些模型在模拟晶粒生长的过程中仍然存在一些不足,如波茨模型中存在模拟时间和真实时间转换困难、顶点模型则难以扩展至三维模型、相场模型难以和多物理场进行耦合等,较难应用于复杂晶粒生长行为的模拟分析。近年来针对反应扩散行为问题分析所发展起来的格子Boltzmann方法(LBM)具有理论清晰直观、程序实现容易、并行性好和边界条件处理简单等优点,逐渐成为模拟晶粒生长行为的理想方法。然而目前相关研究主要集中在树枝晶的生长研究,如在过冷熔体内树枝晶的晶粒生长和强制熔体对流中树枝晶的晶粒生长等,针对单相和多相多晶体材料晶粒生长的格子Boltzmann模型和方法方面的研究较少。本文主要基于反应扩散问题分析的格子Boltzmann模型和方法,提出了晶粒生长的扩散界面模型,对由曲率驱动的晶粒生长行为进行模拟分析和讨论,并研究了固定颗粒和温度梯度等因素对多晶体晶粒生长行为的影响。研究发现所提出的模型的模拟结果与相场模型给出的结果及理论结果一致。针对二维系统中晶粒生长的模拟结果表明在单相系统中晶粒生长行为遵循幂律动力学,两相固定颗粒对晶粒生长具有明显的阻碍作用,温度梯度也是影响晶粒微观分布的重要因素之一。本文提出的方法将为模拟复杂条件下(如热传导和熔体对流下)的单相与多相的多晶材料晶粒生长提供有效的分析手段,并为基于选择性激光熔化与烧结技术的3D打印过程微结构演化的多尺度数值模拟奠定基础。此外,本文所发展的晶粒生长格子Boltzmann模型还可以扩展至三维系统,并可以考虑移动的两相颗粒、热传导、热对流等复杂情况。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O78

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本文编号：1210365