第二相粒子对AZ31镁合金晶粒长大影响的三维相场模拟研究

摘要

镁合金作为轻质的结构材料，拥有较低的密度，和较高的比强度等优点，越来越引起人们的重视。AZ31镁合金作为目前商业化应用最广的镁合金，被选择作为本研究的模拟范例材料。由于合金元素在Mg合金中固溶度不高，时效强化和固溶强化的效果均不理想，因此，引入第二相颗粒细化晶粒提高AZ31镁合金机械性能显得更加重要。 用相场法来研究该问题有诸多优势，然而，相场法中二维模型与三维模型在处理一些问题上有些差别，目前还未有这方面系统的研究。因此本研究在本课题组二维模拟工作的基础上使用了并行编程，集群运行等方法实现了三维条件下，对含有第二相粒子的晶粒长大进行了相场法模拟。 研究表明:三维和二维模型模拟的结果是一致的，第二相粒子对晶粒长大都具有显著的抑制作用，用改进的Zener公式Rlim/r=b/fn进行数据处理得出，球形第二相粒子二维模拟下n=0.467，b=1.44;而三维模拟下n=0.398，b=0.584。这表明粒子在三维条件下对晶界的钉扎作用显著小于二维长大的条件，模拟结果与解析理论分析一致。在晶粒尺寸分布上，二维模拟与三维模拟结果几乎没有差别。同时我们对比了三维模拟数据处理的截面法和体积法统计的晶粒尺寸，发现截面法统计用于表达晶粒长大演变不适合，而体积法测得的结果较为准确。 晶粒长大第二相粒子影响的模拟得出:棒状粒子钉扎效果好于球状粒子，一个方向分布的棒状粒子钉扎效果要好于任意方向分布的棒状粒子。当第二相颗粒体积分数(9％)一定时，球形粒子对晶粒的钉扎效果存在一个临界尺寸(1.2μm)，粒子尺寸小于该临界尺寸，粒子尺寸越大，钉扎作用越大，大于该临界尺寸后，粒子的尺寸越大，钉扎作用越小。低百分含量的第二相粒子与高百分含量的第二相粒子对不同面数（周围晶粒邻居数）晶粒的长大速率影响不同，低含量(3％)下面数多的晶粒体积变化率随时间升高，而在较高含量(15％)下面数多的粒子体积变化率随时间降低。在截面上低粒子含量时，晶粒周围有五个晶粒相邻时稳定，随着粒子含量增加，有四个相邻晶粒是稳定的，这表明稳定邻居数小，晶粒异常长大出现的就可能更多。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1相场法模拟

1．1．1扩散界面

1．1．2多相场法

1．1．3相场法的数值及并行计算

1．1．4相场法与材料基因组计划(MGI)

1．1．5相场法的应用

1．2第二相粒子对晶粒长大影响简介

1．2．1 Zener钉扎理论

1．2．2第二相粒子对晶粒长大过程的影响

1．3相场法研究第二相粒子对晶粒长大影响的进展

1．4 AZ31镁合金简介

1．5本论文的研究目的和意义

第2章含有第二相粒子的真实时空相场模型建立

2．1化学自由能函数的修订

2．1．1局域自由能密度函数确定

2．1．2加入第二相粒子后局域自由能密度函数的修订

2．2局域自由能函数中各参数的选取

2．2．2耦合项系数K1和梯度项系数K2的确定

2．3二维模型与三维模型中的数值计算方法

2．4三维模型的并行计算

2．5基体中第二相颗粒的尺寸和形状的定义

2．6模型可行性验证

2．7本章小结

第3章第二相粒子形状、分布和尺寸对AZ31镁合金晶粒长大的影响

3．1三维模拟结果的表达

3．2三维模拟中粒子形状、分布的影响

3．3二维模拟中粒子形状、分布的影响

3．4二维模拟与三维模拟钉扎效果的比较

3．5第二相粒子尺寸的影响

3．6本章小结

第4章第二相粒子对AZ31镁合金晶粒尺寸分布及拓扑特性的影响

4．1三维模拟中第二相粒子对晶粒尺寸分布的影响

4．2二维模拟中第二相粒子对晶粒尺寸分布的影响

4．3晶粒周围稳定邻居数目的考察

4．4本章小结

5．1本文总结

5．2进一步研究的建议

参考文献

致谢