多晶材料晶粒生長(zhǎng)格子Boltzmann模型及數(shù)值模擬.pdf

1、工程廣泛使用的諸多金屬材料都是多晶材料，其力學(xué)性能與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式（如晶粒尺寸、晶粒分布等）密切相關(guān)。研究表明材料的力學(xué)性能通常將隨著系統(tǒng)平均晶粒尺寸的減小而增加，如納米晶體金屬材料表現(xiàn)出比其相應(yīng)粗晶材料更高的強(qiáng)度和硬度。因此，理解晶粒的生長(zhǎng)行為和規(guī)律對(duì)于控制材料微結(jié)構(gòu)具有重要的意義，其將為制備高強(qiáng)高硬的先進(jìn)材料提供理論依據(jù)。
　　在過(guò)去的幾十年里，為了預(yù)測(cè)晶粒生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)行為，研究者們提出了許多晶粒生長(zhǎng)的理論模型。然而，這些理

2、論模型只能給出平均晶粒尺寸隨時(shí)間的演化關(guān)系及多晶材料的尺寸分布等生長(zhǎng)特征，對(duì)于復(fù)雜的晶粒生長(zhǎng)過(guò)程（如拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演化、晶界交互等）難以進(jìn)行準(zhǔn)確地描述。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)模擬成為探索晶粒生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)行為及微結(jié)構(gòu)演化細(xì)節(jié)的有效工具，目前廣泛采用的晶粒生長(zhǎng)數(shù)值模型包括波茨模型、頂點(diǎn)模型和相場(chǎng)分析模型等。然而這些模型在模擬晶粒生長(zhǎng)的過(guò)程中仍然存在一些不足，如波茨模型中存在模擬時(shí)間和真實(shí)時(shí)間轉(zhuǎn)換困難、頂點(diǎn)模型則難以擴(kuò)展至三維模型、相場(chǎng)模型難以和多物理場(chǎng)進(jìn)行

3、耦合等，較難應(yīng)用于復(fù)雜晶粒生長(zhǎng)行為的模擬分析。近年來(lái)針對(duì)反應(yīng)擴(kuò)散行為問(wèn)題分析所發(fā)展起來(lái)的格子Boltzmann方法(LBM)具有理論清晰直觀、程序?qū)崿F(xiàn)容易、并行性好和邊界條件處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為模擬晶粒生長(zhǎng)行為的理想方法。然而目前相關(guān)研究主要集中在樹(shù)枝晶的生長(zhǎng)研究，如在過(guò)冷熔體內(nèi)樹(shù)枝晶的晶粒生長(zhǎng)和強(qiáng)制熔體對(duì)流中樹(shù)枝晶的晶粒生長(zhǎng)等，針對(duì)單相和多相多晶體材料晶粒生長(zhǎng)的格子Boltzmann模型和方法方面的研究較少。
　　本文主要基

4、于反應(yīng)擴(kuò)散問(wèn)題分析的格子Boltzmann模型和方法，提出了晶粒生長(zhǎng)的擴(kuò)散界面模型，對(duì)由曲率驅(qū)動(dòng)的晶粒生長(zhǎng)行為進(jìn)行模擬分析和討論，并研究了固定顆粒和溫度梯度等因素對(duì)多晶體晶粒生長(zhǎng)行為的影響。研究發(fā)現(xiàn)所提出的模型的模擬結(jié)果與相場(chǎng)模型給出的結(jié)果及理論結(jié)果一致。針對(duì)二維系統(tǒng)中晶粒生長(zhǎng)的模擬結(jié)果表明在單相系統(tǒng)中晶粒生長(zhǎng)行為遵循冪律動(dòng)力學(xué)，兩相固定顆粒對(duì)晶粒生長(zhǎng)具有明顯的阻礙作用，溫度梯度也是影響晶粒微觀分布的重要因素之一。本文提出的方法將為模擬