相场方法模拟多晶材料微观结构演化

摘要

用相场法研究材料的微观组织结构演变规律是一种新的方法，并被越来越广泛的应用。它可以避免跟踪界面的位置和形状，仅通过微积分方程反映扩散、有序化以及热力学驱动力的综合作用，能通过场变量简单明了地表征出任何一种复杂组织的几何形貌，预测多晶平均尺寸、晶粒尺寸分布及晶粒拓扑结构的演化过程等情况，最终预测微观组织的形成，控制材料的力学性能。
　　 本文采用相场模型研究了单相系统中正常晶粒长大和异常晶粒长大的组织演化情况，以及双相系统晶粒长大的组织演化过程。模拟正常晶粒长大得到的平均晶粒长大指数较宋晓艳等用Monte Carlo方法模拟得到的指数更接近理论值；观察到异常晶粒长大过程非常迅速；还在双相晶粒组织生长过程中模拟了晶粒的演化情况，以及得到的晶粒生长指数略大于3。初步验证了相场方法的有效性，结果表明模型符合经典长大规律，并且得到的晶粒长大指数与理论数值非常吻合。
　　 本文还采用相场模型研究了单相陶瓷烧结的组织演化过程，观察到了气孔的球化过程，以及烧结过程中出现烧结颈的形成与长大，气孔的演化和晶粒长大等现象，与热力学规律及相关文献进行了对比，结果十分吻合。此外，本文还初步研究了双相陶瓷烧结的组织演化过程，发现在刚开始演化速度较快，不久就由于两相颗粒相互作用，速度放慢，并且几乎没有大的变化。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1计算机模拟方法介绍

1.1.1概述

1.1.2计算机模拟方法

1.1.3计算机模拟方法比较

1.2相场法在晶粒长大模拟中的进展

1.2.1晶粒长大理论研究

1.2.2相场法在晶粒长大模拟中的应用

1.3相场法在粉末烧结过程中微结构模拟中的进展

1.3.1陶瓷烧结理论

1.3.2陶瓷烧结过程中微观过程的计算机模拟

1.4问题的提出及本文研究内容

1.4.1现有模拟方法存在的主要问题

1.4.2选题的意义

1.4.3本文的研究内容

第二章相场法

2.1相场模型

2.1.1多晶材料微观组织的描述

2.1.2序参量数P的确定

2.2相场法的数值化处理

2.2.1开发环境和数据结构

2.2.2初始组织结构的生成

2.2.3周期性边界条件的引入

2.2.4数值计算及处理

2.2.5计算流程

2.2.6组织的可视化及漫散界面

2.3相场法的一些研究方法

2.3.1晶粒表征和统计

2.3.2晶粒长大动力学

第三章相场法在多晶材料晶粒长大中的模拟

3.1单相组织的晶粒长大模拟

3.1.1正常晶粒长大

3.1.2异常晶粒长大

3.2双相组织的晶粒长大模拟

3.2.1参数的选取

3.2.2模拟结果

3.3本章小结

第四章相场法在多晶材料陶瓷烧结中的模拟

4.1陶瓷烧结过程的相场模型微观组织描述

4.2采用的模型

4.2.1四球模型

4.2.2颗粒随机分布模型

4.3单相陶瓷烧结

4.3.1参数选取

4.3.2模拟结果

4.4双相陶瓷烧结

4.4.1模型的描述

4.4.2局域自由能泛函的构建

4.4.3模拟结果

4.5本章小结

第五章结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文