激光立体成形中熔池凝固微观组织的元胞自动机模拟

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元胞自动机方法模拟再结晶过程的建模

元胞自动机方法模拟再结晶过程的建模
金文忠;王磊;刘相华;王振范
【期刊名称】《机械工程材料》
【年(卷),期】2005(029)010
【摘要】建立了模拟再结晶过程的二维元胞自动机模型,并且介绍了微观组织的显示方法,以MATLAB为平台进行程序的编制.模型采用位置过饱和形核与恒定速率形核两种形核方式,研究了不同算法下再结晶过程的动力学.结果表明:网格规模与邻居关系对再结晶动力学的Avrimi指数n几乎没有影响;采用交替Moore型邻居关系得到的最终组织与真实组织更加接近;位置过饱和形核得到的再结晶晶粒尺寸比恒定速率形核的晶粒尺寸更均匀.
【总页数】4页(P10-13)
【作者】金文忠;王磊;刘相华;王振范
【作者单位】东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁,沈阳,110004;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁,沈阳,110004;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁,沈阳,110004;东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室,辽宁,沈阳,110004
【正文语种】中文
【中图分类】TG111
【相关文献】
1.静态再结晶过程的元胞自动机模拟(Ⅰ)——微观组织演化和动力学研究 [J], 郭娟;王艳敏;李卫;吴迪;赵宪明
2.元胞自动机方法模拟材料点蚀过程的建模过程 [J], 刘静;李自力;侯蕾;曹志栓
3.Cr12MoV钢动态再结晶过程的元胞自动机模拟 [J], 陈森林;廖敦明;滕子浩;陈涛
4.元胞自动机方法对动态再结晶过程的模拟 [J], 何燕;张立文;牛静;裴继斌
5.动态再结晶过程的定量化可视化元胞自动机模拟 [J], 王琴;方绿频
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元胞自动机在金属材料研究中的应用

元胞自动机在金属材料研究中的应用1. 介绍在金属材料研究领域，元胞自动机（Cellular Automaton，CA）是一种重要的建模和仿真方法。

它通过将材料系统分成一系列离散的元胞，并定义了这些元胞之间的相互作用规则，从而模拟材料行为和演化的过程。

元胞自动机在金属材料的结构、性能以及材料制备等方面都有着广泛的应用和研究。

2. 结构建模元胞自动机可以对金属材料的结构进行建模。

通过将金属材料划分为一系列离散的元胞，每个元胞代表一个微观结构单元，可以是晶格点、原子或者分子等。

然后定义元胞之间的相互作用规则，例如晶格点之间的相互作用、原子与原子之间的键合等。

这样可以模拟材料在不同温度、应力等条件下的结构演化过程，进而研究材料的晶体生长、相变以及缺陷等行为。

2.1 晶体生长元胞自动机可以模拟金属材料的晶体生长过程。

通过定义晶格点之间的相互作用规则，可以模拟晶体在一定温度和物理条件下的生长过程。

例如，在固态金属材料中，晶体的生长是通过晶格点之间的扩散、结晶等过程实现的。

元胞自动机可以模拟晶体生长的动力学行为，研究晶体生长的速度、形貌以及晶界等特征。

2.2 相变元胞自动机也可以模拟金属材料的相变行为。

相变是金属材料中晶体结构发生变化的过程，例如熔化、凝固、固相变等。

通过设定相应的相变规则，元胞自动机可以模拟不同条件下金属材料的相变过程。

例如，在凝固过程中，通过设定固态晶体的生长速率、晶格定向等参数，可以模拟材料的凝固行为，研究凝固过程中的组织演化和相变行为。

3. 性能预测除了对金属材料的结构进行建模外，元胞自动机还可以用于预测材料的性能。

通过将材料的微观结构与性能的关系建立起来，元胞自动机可以模拟材料的力学性能、热学性能以及电学性能等。

3.1 力学性能元胞自动机可以模拟金属材料在力学加载下的行为。

通过设定元胞之间的相互作用规则和外界加载条件，可以模拟金属材料在拉伸、压缩等力学加载下的应力应变响应，预测材料的力学性能，例如杨氏模量、屈服强度以及断裂行为。

焊接熔池快速凝固过程的微观组织演化数值模拟

焊接熔池快速凝固过程的微观组织演化数值模拟
张敏;汪强;李继红;李琳
【期刊名称】《焊接》
【年(卷),期】2013(000)007
【摘要】基于晶粒形成原理和枝晶生长动力学特点，建立了焊接熔池凝固过程中的形核、枝晶生长、溶质再分配及扩散的二维数学物理模型，对焊接熔池快速凝固过程中柱状晶向等轴晶的转变以及不同的冷却速度对这一转变过程的影响进行了模拟。

结果表明，焊接熔池在快速冷却凝固过程中，溶质再分配与扩散明显；柱状晶向等轴晶转变时，熔池中心等轴晶凝固排出的溶质使柱状晶尖端浓度急剧升高，抑制了柱状晶的生长；冷却速度越大，柱状晶越容易向等轴晶转变，且转变所需时间越短。

【总页数】5页(P1-4,28)
【作者】张敏;汪强;李继红;李琳
【作者单位】西安理工大学材料科学与工程学院，西安 710048;西安理工大学材料科学与工程学院，西安 710048;西安理工大学材料科学与工程学院，西安710048;西安理工大学材料科学与工程学院，西安 710048
【正文语种】中文
【中图分类】TG401
【相关文献】
1.MIG焊接熔池形成与凝固过程数值模拟 [J], 吴东升;华学明;叶定剑;张菁;顾煜;李芳
2.Ti-45Al合金焊接熔池凝固过程数值模拟 [J], 张敏;周玉兰;薛覃;李继红
3.Fe-C合金焊接熔池凝固过程CET转变的数值模拟 [J], 张敏;徐蔼彦;汪强;李露露
4.焊接熔池快速凝固过程的微观组织演化数值模拟 [J], 张敏;汪强;李继红;李琳
5.ULCB钢焊接熔池凝固过程数值模拟 [J], 张敏;惠媛媛;周玉兰;李继红
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元胞自动机方法模拟微观组织演变的建模框架

元胞自动机方法模拟微观组织演变的建模框架
郭洪民;刘旭波;杨湘杰
【期刊名称】《材料工程》
【年(卷),期】2003(000)008
【摘要】基于元胞自动机模型的框架特性,构建了基于扩展的元胞自动机的模型框架MicrosCA.该模型不是针对某一具体应用的实际模型,而是一个通用的模型框架,阐述了构建微观组织模拟元胞自动机模型的主要思想、微观模型与其它模型间的集成.在此基础上,可以针对不同应用问题,对其进行适当细化和具体化,以适合各种组织演变问题的分析研究.
【总页数】6页(P23-27，48)
【作者】郭洪民;刘旭波;杨湘杰
【作者单位】南昌大学机电工程学院,南昌,330029;南昌大学机电工程学院,南昌,330029;南昌大学机电工程学院,南昌,330029
【正文语种】中文
【中图分类】TG111
【相关文献】
1.元胞自动机方法模拟再结晶过程的建模 [J], 金文忠;王磊;刘相华;王振范
2.六角中空钢轧制过程模拟及微观组织演变建模 [J], 于恩林;赵玉倩;沈红伟
3.元胞自动机方法模拟材料点蚀过程的建模过程 [J], 刘静;李自力;侯蕾;曹志栓
4.微观组织演变元胞自动机模拟研究进展 [J], 陈飞;崔振山;董定乾
5.基于智能体和人工神经网络的元胞自动机建模及城市扩展模拟 [J], 陶奕宏;王海军;张彬;曾浩然;孙晶
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微观组织模块-Deform Microstructure

微观组织模块-Deform Microstructure
Deform微观组织模块能够计算金属成形及热处理过程中的回复再结晶及组织演变现象，晶粒计算模型包括JMAK模型，元胞自动机模型，中尺度模型等，能够计算晶粒尺寸变化，结晶率，晶界晶向，织构，蠕变、析出等，评估材料的改性问题。

模拟微观组织在金属成形过程、热处理过程及加热、冷却过程中的演变；
模拟晶粒生长，分析整个过程的晶粒尺寸变化；
计算成形及热处理过程中的回复再结晶现象，包括动态再结晶、中间动态再结晶及静态再结晶；
通过微观演变预测总体性能，避免缺陷；
具有多种组织计算模型，包含典型的JAMK方程、CA元胞自动机、Mesoscale中尺度及蒙特卡洛方程；
热锻微观组织晶粒尺寸云图
用户可二次开发自己的晶粒演变模型用于微观组织计算；
具有元胞自动机法可现实微观组织相图、晶粒尺寸、晶界及晶向，实现微观组织演变的可视化观测；
微观组织演变相图
可通过显式算法计算金属断裂过程的微观孔洞的形成及组织裂纹；
微观组织相图计算
预测金属成形过程中各部位的晶粒尺寸变化及晶粒织构的变形；
金属成形晶粒尺寸分布。

热加工过程静态再结晶的元胞自动机模拟

１．３再结晶的计算机模拟
．
…√
对于再结晶的研究，实验无疑是最根本、最直接的方法。随着计算机技术的发展，特别是八十年代初当人们认识到ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法可以用来处理晶粒结构演变等问题时，金属材料再结晶过程中组织结构演变的计算机模拟技术获得了深。入的发展。
东北大学硕士学位论文
第一章绪论
目前模拟再结晶的常用方法有四种：几何方法，顶点法，蒙特卡罗（ＭＣ）方法和元胞自动机（ＣＡ）方法。几何方法可用于模拟再结晶终了时的微观组织状态而不必考虑晶界移动和相互作用的细节。该方法最早由Ｍａｈｉｎ和Ｈａｎｓｏｎ提出，随后Ｆｒｏｓｔ和Ｔｈｏｍｐｓｏｎ做了进一步的发展。Ｆｕｒｕ和ＪｕｕｌＪｅｎｓｅｎ将几何方法推广用于预测再结晶的晶粒尺寸和织构的演变。该方法的缺点是无法考虑再结晶过程中同时发生的晶粒生长。顶点法‘ 。是一种基于网络组织的方法，其特点是将晶粒网络组织的演化抽象成顶点（三重点）的运动，保证顶点处晶界张力的平衡，因此该方法的计算效率很高。当需要考虑第二相粒子时，该方法有一定的局限性‘。最近，Ｈｕｍｐｈｒｅｙｓ利用顶点方法成功地模拟了亚晶长大形核过程，而且还考虑了第二相粒子的存在。蒙特卡罗方法。和元胞自动机方法～都是离散方法，在模拟晶粒生长方面，两者具有某些相似的方面：蒙特卡罗方法与元胞自动机方法都是采用局域的相互作用原则模拟微观结构的演化。所不同的是蒙特卡罗方法是根据最小能量原理来确定位向转变概率，进而模拟晶界的运动，而元胞自动机方法则利用基于物理机制的转变规则来处理再结晶的生长速率。这两种方法是近些年来模拟微观组织演化常用的方法，下面总结了几点元胞自动机方法与蒙特卡罗方法之间存在的根本性区别：
３．ＡＣＡｍｏｄｅｌｏｆｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｓｔａｔｉｃｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎＷａｓｓｅｔｕｐ，ａｎｄｉｔｓｏｒｉｇｉｎａｌｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｉｔｗａｓｓｈｏｗｎｔｈａｔｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｇｒａｉｎｓｉｚｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｒｕｌｅｗｅｒｅｒｅｌａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｎｕｃｌｅａｔｉｏｎｒａｔｅ．

元胞自动机方法模拟枝晶生长 2004

1131175 ×10
- 4
.
( 9)
s , 枝晶的固相溶质浓度在 013 % 左
右 ,在枝晶的周围的液相溶质浓度约为 019 %. 从图 2 中可以看出随着凝固时间的延长 , 枝晶内固相溶质浓度逐渐下降 , 而枝晶周围溶质浓度超过 019 % 的区域也逐渐减少 .
10 期
李强等 : 元胞自动机方法模拟枝晶生长
Δ
Δ
V ( Cl
3
3
3 - Cs ) = ( D s Cs - Dl Cl ) ・n ( 3)
换热系数为 1000WΠ m K, 初始液相溶质浓度为
016 % , 固相溶质浓度为 01204 % , 初始温度为 1713 K ,总的计算步为 500000 步 .
-9
[10 ]
mΠ s)
2
液相线斜率
G ibbs2Thomson 自由能系数
溶质分配系数熔点Π K
( 6)
( 7)
图1 模拟区域和检测线的示意图
( 8)
31 模拟结果与分析
图 2 反映出凝固过程中溶质浓度的演变 . 图 2 - 5 (a) 为凝固初始阶段 , 其凝固时间为 2163727 × 10 s , 枝晶已经开始形成 , 并优先沿着〈10 〉方向长大 . 它反映出凝固过程中固液界面沿着 x 和 y 的长大速度最大 . 在图 2 ( a ) 中固相溶质浓度为 014 % ,枝晶周围溶质浓度超过 019 % , 在这层之外的溶质浓度约为 017 % ,而远离枝晶区域溶质浓度为 016 %. 图 2 - 5 ( b) 凝固时间为 7187882 × 10 s ,枝晶主干继续优先沿着 x 和 y 方向长大 ,枝晶主干之间的溶质浓度最高 , 溶质浓度超过 019 %. 图 2 ( c ) , 凝固时间为

金属材料动态再结晶过程的元胞自动机法数值模拟

ｏｆｓｔｒａｉｎｒａｔｅ，ｔｈｅｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｏｆＤＲＸｗａｓｍｏｒｅｉｎａｄｅｑｕａｔｅ，ｓｏｍｅｔｉｍｅｓ，ｎｏＤＲＸｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ
３．ＴｈｅｍｅａｎＲ－ｇｒａｉｎｓｉｚｅＲｄｉｓｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｏｆｏｒｉｇｉｎａｌｇｒａｉｎｓｉｚｅ．Ｉｔｈａｓｂｅｅｎｐｒｏｖｅｄ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｎｕｄｅ撕ｏｎａｔｂｏｕｎｄａｒｙｗｉｔｌｌｎｕｃｌｅａｔｉｏｎｒａｔｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｂｙｓｔｒａｉｎｒａｔｅａｎｄｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ（ＰＳＮ）
热连轧过程的再结晶为动态蒋结晶。动态再结晶和动态回复是金属材料在高温变形时抵消加工硬化的复原软化过程，但并不是所有金属在高温变形时都会发生动态再结晶现象。在层错能较低的金属中，动态回复效应不是很强，位错密度可以累积到达临界值，发生动态再结晶。而在层错能较高的：金属中，由于动态回复效应较强，由高温变形引起的位错增加和动态回复引起的位错消耗可以很快达到动态平衡，从而位错密度无法达到临界值，因此不能发生动态再结晶现象。很多研究人员对动态再结晶过程进行了大量实验及理论上的研究。传统的方法是高温变形后立即淬冷，采用这种方法的研究结果表明动态再结晶微观组织呈以下几个特点：（１）晶粒大小不均匀，晶界不规则，呈凹凸状；（２）晶内有很高的位错密度，几乎没有退火孪晶Ｉ”。但传统的研究方法无法模拟动态再结晶过程组织结构的演化。因此研究者们试图采用计算机模拟的方法来预测动态再结晶行为和组织演变过程。目前应用于动态再结晶过程的数值模拟方法有ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法和元胞自动机（ＣｅｌｌｕｌａｒＡｕｔｏｍａｔａ）法。ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法主要依赖于体系内部自由能的计算，其缺点是运算量大，需要大量的数据，运算速度馒，为模拟工作带来了诸多不便。Ｒｏｌｌｅｔｔ等人Ⅲ采用ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ方法对动态再结晶的微观组织演化进行了模拟，但他们的模拟只考虑了形核率和不同变形条件下存储能的影响。Ｐｅｃｚａｋ和Ｌｕｔｏｎ【妯】

元胞自动机法模拟铝合金三维枝晶生长 2005

斯分布的形核模型：
" !#&!#6:; #$ /! !637 1 874 9 % （ $） !#" $ / $!#% ! ! # $ ! " **
式中： !#6:; 为平均形核过冷度， !#" 为标准偏模型中某一过冷度下枝晶尖端的生长速度使用差过冷度，!!637 为异质形核衬底数目。
基金项目：国家自然科学基金资助项目（ G>696>>9 ），江西省自然科学基金（ >6G>>G> ）。收稿日期： ;>>6E->E;- 收到初稿， ;>>6E-;E;; 收到修订稿。作者简介：许林（ -?h>E ），男，安徽省宿松县人，硕士研究生，主要从事凝固过程微观组织三维模拟研究。 \EI)&# aA_#56;6iN30J @O3I
由对应该分布曲线的积分求得：
!!!#01**
#
!# F
/! /!#! /!!#!0
（ "）
式中： !# 为过冷度， ! !!#0 为某过冷度下的晶粒密度。只要得到合理的晶粒密度分布表达式，即可按式
!"0求得已形核的晶粒数。 234435 等提出了一种基于高
（ &）固相溶质扩散方程
式中： /#、 /" 分别是固相、液相中的溶质扩散系
$* 计算方法
$)"* 形核与生长
模拟开始时根据高斯分布随机选取形核位置，每个形核位置都有一个随机产生的形核过冷度。演变过程中某一时刻，如果某一预形核点的局部过冷度大于其形核过冷度，则该点元胞的状态由液态变成固态。同时随机产生一个最优生长方向角。本模型中使用 & 个 E?C8@ 角来确定一个生长方向。如图 " 所示， ,FF".方向由 % 、& 确定，% 确定 ,FF".的旋转。 % 、 & 、 % 的范围分别是（ 9! ，! ），（ F， ! ’$）和（ 9 ! ’(，。具体描述可参考文献,"(.。 ! ’(）

Fe-C合金凝固组织元胞自动机-有限单元法三维模拟

Fe-C合金凝固组织元胞自动机-有限单元法三维模拟齐伟华;张捷宇;王波;李响妹;樊俊飞;赵顺利;方园【期刊名称】《过程工程学报》【年(卷),期】2008(0)S1【摘要】使用有限元商业软件CALCOSOFT3D中的元胞自动机模型,对Fe-C合金凝固过程微观组织进行了模拟.形核模型采用基于高斯分布的连续性形核模型,两种形核分布函数分别处理型壁和熔体内部的形核:枝晶尖端生长速度与局部过冷度的关系采用KGT模型.计算了不同浇注温度、对流换热系数及溶液内部形核过冷度对凝固组织的影响.随着浇注温度从1778K升到1823K,晶粒密度由1.993×10~7m^(-2)减小到1.983×10~7m^(-2),晶粒平均半径从183μm增大到196.3μm;当对流换热系数由500W/(m^2·K)增加到5000W/(m^2·K),晶粒密度由2.114×10~7m^(-2)减小到1.983×10~7m^(-2),晶粒平均半径从161.2μm增大到196.3μm;随着最大形核过冷度的增大,晶粒平均半径增大,当过冷度为8,平均晶粒半径达到233.8μm.【总页数】4页(P64-67)【关键词】微观组织;凝固过程;元胞自动机;晶粒密度;表面形核【作者】齐伟华;张捷宇;王波;李响妹;樊俊飞;赵顺利;方园【作者单位】上海大学材料科学与工程学院;宝钢研究院前沿技术研究所【正文语种】中文【中图分类】TG131【相关文献】1.铝合金元胞自动机-有限单元法微观组织模拟 [J], 齐伟华;张捷宇;王波;樊俊飞;赵顺利;任三兵;方园;李响妹2.基于元胞自动机法的铝合金定向凝固过程微观组织数值模拟 [J], 黄建峰;杨屹;李羽晨;杨军;吴钋冰;姚进3.Al-Si合金宏观偏析、凝固组织演变的元胞自动机-控制容积法耦合模拟 [J], 张红伟;NAKAJIMA Keiji;王恩刚;赫冀成4.用元胞自动机方法模拟镁合金薄带双辊铸轧过程凝固组织 [J], 黄锋;邸洪双;王广山5.用元胞自动机方法模拟镁合金薄带双辊铸轧过程凝固组织 [J], 黄锋;邸洪双;王广山因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

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