晶粒长大过程及其生长动力学的相场法研究

摘要

晶粒长大是纯金属、合金、陶瓷等多晶材料中最普遍的晶粒生长现象，对材料性能有重要影响，系统研究多晶材料晶粒长大过程及其动力学具有重要的理论和工程意义。随着计算材料科学的发展，计算机模拟已逐渐成为材料微观组织设计及微观组织演化研究的重要手段。本文采用多序参量唯象晶粒长大相场模型，系统研究了单相系统中正常晶粒长大、晶界能各向异性的晶粒长大、两相多晶材料的晶粒长大以及有第二相颗粒存在条件下的晶粒长大过程，全面分析了多晶材料中晶粒组织演变、动力学以及拓扑学演化规律，主要结论如下： 1．相场模型可真实再现多种条件下的多晶材料晶粒演化过程及其拓扑学变化，模拟结果与实验结果吻合良好。 2．在单相晶界能各向同性晶粒演化过程中，晶界夹角趋于120°，晶粒平均表面积或截面积和演化时间成线性关系，当晶粒生长趋于稳定后，晶粒归一化半径分布不随演化时间而变化；晶粒生长速率和梯度能系数κ<'0.5>成正比，与耦合参数r<'1.5>成反比。 3．晶界能各向异性系统中低能晶界比较稳定，高能晶界迅速合并，晶粒大小分布不均匀。各向异性系统中，晶粒尺寸和边数的分布较各向同性系统宽，平均晶粒面积在两个不同系统中呈现出不同的分布形式。随着晶界能各向异性的增强，晶粒生长变缓，组织均匀化程度降低。 4．两相组织晶粒长大过程中，不同体积分数相晶粒归一化半径分布峰值随着演化时间的增加都逐渐趋近于1，相体积分数越大，其归一化晶粒半径峰值趋于1的速度越快。随着相体积分数的增大，晶粒组织达到稳定的时间越短。两相体积分数相差较大时，其生长指数小于3，而两相体积分数比较接近时，两相晶粒生长指数大于3。 5．第二相颗粒的存在对晶界有钉扎作用，颗粒体积分数越火，对晶界的钉扎作用越强，晶粒演化过程减缓，且在一定体积分数下，系统会发生晶粒异常长大现象；颗粒尺寸越大，对晶界的钉扎作用也越强。通过对Zener公式的验证表明，模拟的拟合指数与Monte Carlo法模拟结果一致，且较Zener和Hillert的理论模型更符合实测结果。

目录

文摘

英文文摘

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第一章文献综述

1.1.晶粒长大理论及实验研究进展

1.1.1.晶粒长大现象的分类

1.1.2.晶粒长大理论研究

1.1.3.晶粒长大实验研究

1.2.晶粒生长的计算机模拟研究

1.2.1.蒙特卡罗方法

1.2.2.元胞自动机法

1.2.3.顶点模型

1.2.4.相场模型

1.3.相场法模拟晶粒长大的研究进展

1.3.1.晶粒长大的相场模型

1.3.2.相场法在晶粒长大模拟中的应用

1.4.本文主要研究内容

第二章晶粒长大相场模型及其数值求解

2.1.单相晶粒生长相场模型

2.1.1.相场模型

2.1.2.晶界能各向同性条件下的局域自由能密度函数构造

2.1.3.晶界能各向异性条件下局域自由能密度函数的构造

2.1.4.相场模型参数的确定

2.2.相场模型的数值计算及后处理

2.2.1.有限差分法数值离散

2.2.2.稳定性条件

2.2.3.初始条件及边界条件

2.2.4.后处理

2.2.5.程序结构

第三章单相系统晶粒长大模拟

3.1.晶界能各向同性条件下晶粒长大过程

3.1.1.晶粒组织演化过程

3.1.2.晶粒演化过程中的拓扑学

3.1.3.梯度能系数k对晶粒组织演化的影响

3.1.4.耦合参数r对晶粒组织演化的影响

3.2.晶界能各向异性性条件下晶粒长大过程

3.2.1.晶粒组织演化

3.2.2.各向异性强度的影响

3.2.3.两种晶界能条件下晶粒组织演化过程的比较

3.3.本章小结

第四章两相组织晶粒长大模拟

4.1.两相晶粒长大相场模型

4.1.1.模型的建立

4.1.2.两相系统自由能密度函数的构造

4.2.模拟结果

4.2.1.晶粒组织演化

4.2.2.晶粒生长动力学

4.2.3.生长指数

4.3.本章小结

第五章第二相颗粒对晶粒长大过程的影响

5.1.相场模型的建立

5.2.计算结果

5.2.1.钉扎颗粒体积分数对晶粒组织演化的影响

5.2.2.钉扎颗粒尺寸对晶粒组织演化的影响

5.2.3. Zener公式的验证

5.3.本章小结

主要结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢