低碳钢中第二相粒子析出行为的相场法模型及其模拟研究

摘要

高的强韧化是钢材不断发展的主流，强韧化技术及其理论研究对它的生产应用至关重要。一般认为，提高钢材的强度和韧性的最有效方法是细化晶粒。实际中，常通过直接引入第二相难熔颗粒，或者经一定热处理工艺析出第二相颗粒来阻止晶粒长大以达到细化最终晶粒组织的目的。随着合金化和控轧控冷技术的普遍应用，第二相析出细化技术已经广泛应用于合金钢生产。
　　 研究第二相粒子的析出过程，特别是沉淀相的长大动力学行为是很有理论价值的工作。然而，迄今还少见对此进行较为全面、深入的实验研究。这主要是因为，实验条件苛刻、周期长、且远未达到定量研究的水平。随着计算材料学特别是材料微观组织结构演变仿真研究的兴起与发展，运用计算机仿真技术开展第二相粒子析出过程的虚拟实验研究成为可能，且已成为当今国际材料研究领域的前沿方向之一。深入开展系统的二相粒子析出行为的仿真研究，揭示其演变规律和产生机理，将为有效控制合金钢中二相粒子尺寸、形状、分布状态以制定合理的热加工工艺和改善组织结构与性能奠定基础。
　　 鉴于目前常用的几种计算机模拟方法中，相场模型更具备严谨的热力学基础，适用于动态复杂体系的仿真研究。因而开发钢中第二相粒子析出演变的相场模型及其模拟技术非常必要，也是本课题组已开展的关于二相粒子材料组织演变仿真研究工作的需要。
　　 本文以工业应用中最普遍的含铌低碳钢为研究对象，依据相场、热力学、金属物理学等理论，基于模型假设条件，建立了模拟钢中二相粒子析出长大过程的相场模型;结合热力学软件及模型参数的物理意义，确定了较为准确的参数取值法则;按照所确定的相场模型数值算法，编制了模拟应用程序;利用开发的图像处理技术，展现了粒子形貌的演变;完成了该钢等温过程中已形核的第二相粒子的析出长大行为及其变化规律的模拟研究。
　　 研究结果表明，本文建立的相场模型和开发的模拟技术较好地实现了随机析出、单一粒子析出、两粒子析出以及钢中常见的方形粒子析出过程的粒子形貌演变的仿真;相应的动力学定量分析获得了一些经实际经验及相关理论验证的第二相粒子析出长大规律，深化了对于它们的作用机理的认识;这一研究为深入认识微合金钢等温过程第二相粒子析出长大规律和机理提供了虚拟实验方法及其仿真模型与模拟技术。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 第二相的相关理论和研究方法

1．2．1 相关理论

1．2．2 研究方法

1．3 计算机仿真模拟的简介

1．3．1 计算机仿真模拟的定义

1．3．2 计算机仿真模拟的方法

1．4 论文研究的主要方法和内容

第二章 相场法及其特点和应用

2．1 引言

2．2 相变及其相关理论

2．2．1 厄伦菲斯(P．Ehrenfest)对相变的分类

2．2．2 朗道的唯象理论(Landau Phenomenological Theory)

2．2．3 金兹堡-朗道(Ginzburg-Landau)相变理论

2．3 相场法的基本概念

2．4 相场法的基本类型

2．4．1 连续相场法

2．4．2 微观相场法

2．5 相场模型的数值求解方法

2．5．1 有限差分法(Finite Difference Method)

2．5．2 有限元方法(Finite Element Method)

2．5．3 谱方法(Spectral Method)

2．5．4 边界元法(Boundary Element Method)

2．6 相场模型的特点

2．7 相场法在材料微观组织模拟中的应用

2．8 本章小结

第三章 第二相粒子析出行为的相场模型

3．1 引言

3．2 基本控制方程

3．2．1 序参量的选取

3．2．2 控制方程的确定

3．2．3 系统自由能函数的确定

3．2．4 系统局域自由能密度函数的表达

3．3 自由能函数中各参数的选取法则

3．3．1 系数B1和B2的确定

3．3．2 系数A1、A2、A3和A4的确定

3．4 本章小结

第四章 二相粒子析出行为的相场模拟关键技术

4．1 引言

4．2 数值求解方法的选择

4．3 控制方程的离散和数值计算

4．3．1 网格划分

4．3．2 控制方程的离散

4．3．3 步长设定与稳定性

4．4 初始条件和边界条件的确定

4．4．1 初始条件的确定

4．4．2 周期性边界条件

4．5 其他模拟参数的设定

4．6 程序的实现及可视化处理

4．6．1 MATLAB简介

4．6．2 MATLAB在本文中的应用

4．7 本章小结

第五章 第二相粒子析出的模拟研究

5．1 引言

5．2 随机析出状态的模拟研究

5．2．1 组织形貌的研究

5．2．2 动力学参数的研究

5．3 单一粒子析出状态的模拟研究

5．3．1 组织形貌的研究

5．3．2 粒子析出普遍规律的研究

5．3．3 析出动力学的研究

5．3．4 方形粒子的析出

5．4 两个粒子析出状态的模拟研究

5．4．1 组织形貌的研究

5．4．2 粒子析出普遍规律的研究

5．4．3 析出动力学的研究

5．4．4 中心距对粒子融合时间的影响

5．4．5 粒子尺寸比对粒子融合时间的影响

5．4．6 粒子尺寸对粒子融合时间的影响

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

学位论文评阅及答辩情况表