基于元胞自动机法的低碳钢奥氏体—铁素体相变模拟
发布时间：2020-08-12 20:23
【摘要】：钢铁材料是国民经济建设中不可或缺的重要结构材料,尤其是先进钢铁材料一直是学术界和工业界研究的热点。在钢铁材料热加工过程中,温度大于临界温度(A_3线)时,会促使组织奥氏体化并发生奥氏体晶粒长大现象,随后降至室温的过程中,会发生奥氏体相向铁素体相的组织转变。而室温下钢铁材料的力学性能最终取决于连续冷却奥氏体转变后的微观组织形态。因此,研究奥氏体晶粒长大现象和连续冷却奥氏体-铁素体相变过程非常重要。基于传统实验的手段不能实时地观察微观组织演变过程,本文结合元胞自动机方法对高温下奥氏体晶粒长大现象和连续冷却奥氏体-铁素体相变过程展开模拟研究。本文的主要研究内容包含如下几个部分:(1)建立了描述奥氏体晶粒长大的元胞自动机模型,模拟了奥氏体晶粒在高温下的组织演变过程,定量分析了晶粒组织形态的演变行为,研究了不同温度对奥氏体晶粒长大过程的影响。(2)建立了描述奥氏体-铁素体相变的元胞自动机模型,包括铁素体形核模型和生长模型,在计算相界面胞内奥氏体相C浓度时,提出了一种避免溶质浓度异常波动的有效方法。输入奥氏体晶粒母相组织并设置初始条件,对连续冷却奥氏体-铁素体相变微观组织和C浓度场演化展开模拟。结果显示,铁素体生长会受到相界面迁移和C原子扩散的混合控制作用。而后研究了不同母相晶粒大小和不同冷却速率对奥氏体-铁素体相变组织形态和相变动力学的影响。(3)在前面模拟的基础上,自主开发了奥氏体-铁素体相变微观组织演化模拟系统。该系统能够将奥氏体晶粒长大和奥氏体-铁素体相变的元胞自动机后台计算结果实时地在前端界面显示,实现了动态观察微观组织演变的应用目的。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1
【图文】：
1.2.2 CA 法模拟的研究现状在材料科学中CA法已被广泛应用于凝固过程[19-21]、晶粒长大与再结晶[22,23]、固态相变[24-26]、析出相生长[27]等现象的模拟中。在晶粒长大模拟方面，1996 年 Liu 等[28]率先建立了 CA 法与 MC 法相结合的二维晶粒长大模型，再现了晶粒长大的动态过程。2001 年 Geiger[29]等提出了基于材料热力学理论的晶粒长大 CA 模型，描述了晶粒生长的尺寸分布和生长行为。2004 年，花福安等[30]建立了基于曲率驱动的晶粒长大二维 CA 模型，模拟了等温条件下晶粒生长的各种现象。2006 年 Ding 等[31]建立了基于最低能量原则的晶粒长大3D元胞自动机模型，模拟结果符合Bruke晶粒动力学方程。2007年，Raghavan[32]提出一种计算局部晶界曲率的方法，并建立了曲率机制的改进 CA 模型模拟了晶粒长大和再结晶过程。2010 年，Janssens[33]针对多晶材料晶界迁移的CA 模型进行了回顾，并模拟了沉淀相溶解引起的异常晶粒长大现象。图 1-1 所示为采用 CA 法模拟的晶粒长大微观组织动态演变过程。
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文大进行了模拟，模拟结果与金相照片吻合。在奥氏体-铁素体相变模拟方面，1998 年 Kumar 等[36]建立了基于高斯形核函数和扩散控制生长的的第一个奥氏体-铁素体相变 CA 模型。该模型描述了铁素体的形核和早期生长的竞争行为，模拟结果与实验观察相吻合。2003 年，Zhan等[37,38]建立了连续冷却条件下的低碳钢奥氏体-铁素体相变 CA 模型。模型中使用了概率性转变规则，研究了冷却速率和局部溶质浓度变化对铁素体形核和生长的影响。2004 年，Lan[39-41]等摒弃以往的溶质扩散控制生长理论，引入了晶界迁移速率模型计算铁素体的生长，并且使用经典形核理论(CNT)[42]来计算铁素体形核率。模拟结果显示，奥氏体-铁素体相界处的碳浓度为局部非平衡，证实铁素体生长会受到相界面迁移和奥氏体内碳原子长程扩散的混合控制。图 1-2 所示为采用 CA 法模拟的低碳钢等温过程中奥氏体-铁素体相变组织演化过程。
(a) (b)图 1-3 CA 模拟的奥氏体-铁素体相变过程中(a)不同形核位置下的相变微观组织形貌(b)不同初始溶质浓度下的相变微观组织形貌[46]综上所述，现已有很多学者对奥氏体晶粒长大和奥氏体-铁素体相变过程开展了大量的研究模拟，并取得了较为丰富的研究成果。然而，在早期的奥氏体-铁素体相变模拟中，多采用的是随机形核、等轴长大的方式获得初始奥氏体母相组织，没有考虑低碳钢在材料热加工过程发生的奥氏体晶粒长大现象。另外，在计算奥氏体/铁素体相界面胞内奥氏体相 C 浓度时，当铁素体分数接近 1 时会产生严重地溶质浓度异常波动。如何合理地进行界面前沿溶质再分配一直是 CA 模拟中的棘手问题。本文将提出一种避免界面胞内溶质浓度异常波动的有效方法，并对奥氏体晶粒长大和奥氏体-铁素体相变展开 CA 模拟研究，实现上述两个过程的耦合计算。1.3 本文主要研究内容与框架
本文编号：2790981
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG142.1
【图文】：
1.2.2 CA 法模拟的研究现状在材料科学中CA法已被广泛应用于凝固过程[19-21]、晶粒长大与再结晶[22,23]、固态相变[24-26]、析出相生长[27]等现象的模拟中。在晶粒长大模拟方面，1996 年 Liu 等[28]率先建立了 CA 法与 MC 法相结合的二维晶粒长大模型，再现了晶粒长大的动态过程。2001 年 Geiger[29]等提出了基于材料热力学理论的晶粒长大 CA 模型，描述了晶粒生长的尺寸分布和生长行为。2004 年，花福安等[30]建立了基于曲率驱动的晶粒长大二维 CA 模型，模拟了等温条件下晶粒生长的各种现象。2006 年 Ding 等[31]建立了基于最低能量原则的晶粒长大3D元胞自动机模型，模拟结果符合Bruke晶粒动力学方程。2007年，Raghavan[32]提出一种计算局部晶界曲率的方法，并建立了曲率机制的改进 CA 模型模拟了晶粒长大和再结晶过程。2010 年，Janssens[33]针对多晶材料晶界迁移的CA 模型进行了回顾，并模拟了沉淀相溶解引起的异常晶粒长大现象。图 1-1 所示为采用 CA 法模拟的晶粒长大微观组织动态演变过程。
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文大进行了模拟，模拟结果与金相照片吻合。在奥氏体-铁素体相变模拟方面，1998 年 Kumar 等[36]建立了基于高斯形核函数和扩散控制生长的的第一个奥氏体-铁素体相变 CA 模型。该模型描述了铁素体的形核和早期生长的竞争行为，模拟结果与实验观察相吻合。2003 年，Zhan等[37,38]建立了连续冷却条件下的低碳钢奥氏体-铁素体相变 CA 模型。模型中使用了概率性转变规则，研究了冷却速率和局部溶质浓度变化对铁素体形核和生长的影响。2004 年，Lan[39-41]等摒弃以往的溶质扩散控制生长理论，引入了晶界迁移速率模型计算铁素体的生长，并且使用经典形核理论(CNT)[42]来计算铁素体形核率。模拟结果显示，奥氏体-铁素体相界处的碳浓度为局部非平衡，证实铁素体生长会受到相界面迁移和奥氏体内碳原子长程扩散的混合控制。图 1-2 所示为采用 CA 法模拟的低碳钢等温过程中奥氏体-铁素体相变组织演化过程。
(a) (b)图 1-3 CA 模拟的奥氏体-铁素体相变过程中(a)不同形核位置下的相变微观组织形貌(b)不同初始溶质浓度下的相变微观组织形貌[46]综上所述，现已有很多学者对奥氏体晶粒长大和奥氏体-铁素体相变过程开展了大量的研究模拟，并取得了较为丰富的研究成果。然而，在早期的奥氏体-铁素体相变模拟中，多采用的是随机形核、等轴长大的方式获得初始奥氏体母相组织，没有考虑低碳钢在材料热加工过程发生的奥氏体晶粒长大现象。另外，在计算奥氏体/铁素体相界面胞内奥氏体相 C 浓度时，当铁素体分数接近 1 时会产生严重地溶质浓度异常波动。如何合理地进行界面前沿溶质再分配一直是 CA 模拟中的棘手问题。本文将提出一种避免界面胞内溶质浓度异常波动的有效方法，并对奥氏体晶粒长大和奥氏体-铁素体相变展开 CA 模拟研究，实现上述两个过程的耦合计算。1.3 本文主要研究内容与框架
【参考文献】
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2 花福安,杨院生,郭大勇,童文辉,胡壮麒;基于曲率驱动机制的晶粒生长元胞自动机模型[J];金属学报;2004年11期
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3 王浩;晶粒长大微观组织演化过程的元胞自动机模拟[D];太原理工大学;2014年
本文编号：2790981
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