一种模拟第二相析出过程的方法技术

本发明专利技术公开了一种模拟第二相析出过程的方法

【技术实现步骤摘要】
一种模拟第二相析出过程的方法、设备及存储介质


[0001]本专利技术属于计算材料学
，具体涉及一种模拟第二相析出过程的方法
、
设备及存储介质
。

技术介绍

[0002]第二相粒子与基体呈共格或者非共格关系，会明显阻碍位错的运动，使材料的强度增大，己经成为工业生产中一种极为重要的强化手段，因此，合理
、
精准地控制其析出过程对改善材料微观组织及力学性能有着重要的意义
。
然而，第二相粒子的析出是一个多物理场
、
多变量的强耦合过程，控制难度大，仅通过实验或者数学模型很难实现对其精准预测或控制，有必要采用有效的研究手段对其进行精准预测或控制研究
。
[0003]元胞自动机
(CA)
方法从二十世纪八
、
九十年代开始，
CA
方法得益于其较好的计算灵活性
、
可以较好地描述实际物理冶金现象等特点，逐渐开始在材料科学领域进行了应用，主要集中于再结晶及凝固过程的预测
。CA
方法作为一门交叉学科，需要研究工作者兼备数学
、
材料学及计算机等方面的知识
。
随着计算机技术的不断发展
、
计算资源的更新升级
、
材料物理冶金学方面热力学与动力学数据的不断完善，
CA
方法逐渐在材料科学领域的更多方面得到了广泛应用
。
除了再结晶与凝固过程的应用，在固态相变过程的微观组织预测方面也得到了一定的应用
。
[0004]目前，
CA
方法对相变过程的研究，主要针对钢铁材料的奥氏体与铁素体之间的转变
。
而针对第二相粒子的析出，目前尚缺乏有效的方法
。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种模拟第二相析出过程的方法
、
设备及存储介质，能够精准模拟第二相粒子的析出过程，弥补现有技术的空缺，为工程实际提供理论依据
。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案来实现：
[0007]本专利技术公开了一种模拟第二相析出过程的方法，包括：
[0008]S1
：建立第二相析出的元胞自动机模型，将单相晶粒组织作为第二相析出的初始晶粒组织输入元胞自动机模型；
[0009]S2
：当前初始晶粒组织满足形核孕育期条件后，在晶界处随机选择元胞并赋予该元胞一个0～1之间的随机数，计算当前时间步的第二相形核数目，同时得出当前时间步的形核概率；比较当前元胞的随机数与形核概率的大小，若当前元胞的随机数＜形核概率，则当前元胞由基体转变为第二相，相状态转变为第二相状态，相状态变量由0转变为1，并赋予析出角度变量；反之，当前元胞不满足条件，相状态变量保持不变；
[0010]S3
：遍历当前计算域内的所有元胞，依次判断每一个元胞的状态是否满足状态转变条件，对满足状态转变条件的元胞进行元胞相状态的转变，第二相界迁移，实现第二相生长；
[0011]S4
：判断当前计算时间是否达到模拟第二相析出设定时长；若不满足，则返回
S2
；若达到第二相析出模拟设定时长，则终止计算，输出模拟结果
。
[0012]优选地，
S1
中，元胞自动机模型的元胞采用正方形元胞；每个元胞具有5个状态变量，分别为：
[0013]晶粒取向变量，表示晶粒的取向；
[0014]晶界变量，区分元胞处于晶界或者晶粒内，0表示元胞处于晶粒内，1表示元胞处于晶界处；
[0015]相状态变量，区分第二相与母相，0表示母相状态，1表示第二相状态；
[0016]控制第二相元素浓度变量，计算过程通过控制第二相元素浓度变量在不同位置处的差异控制第二相生长速率；
[0017]相转变分数变量，代表第二相生长界面前端元胞发生第二相转变的比例
。
[0018]优选地，
S1
中，元胞自动机模型的元胞转变规则为：
[0019]1)
第二相生长前端元胞生长速率大于0；
[0020]2)
元胞位于第二相与母相的相界处，本身状态为非第二相元胞，析出角度方向的邻居内存在第二相元胞；
[0021]3)
元胞的第二相转变分数变量
≥1
，第二相转变分数变量可表示为：
[0022][0023]式中，是从当前计算元胞成为第二相与基体界面处时刻开始计时，
t
时刻的第二相转变分数；
[0024]4)
满足上述
1)、2)
和
3)
条件的元胞，发生相转变，由基体转变为第二相
。
[0025]优选地，
S2
中，当前时间步的第二相形核数目通过形核率模型计算得到，形核率模型如下式：
[0026][0027]式中，为材料体第二相析出密度；
Z
为
Zeldovich
因子；
β
*
为与第二相临界形核原子相关的系数；
Δ
G
*
为第二相形核势垒；
τ
sec
为第二相形核孕育期
。
[0028]进一步优选地，形核概率
P
sec_nuc
采用下式计算：
[0029][0030]式中，
S
GB
为晶界面积；
N
GB
为晶界元胞数；
N
GB
S
GB
即第二相形核数目
。
[0031]进一步优选地，
Zeldovich
因子采用下式计算：
[0032]式中，为第二相的原子体积；
x
与
y
分别为第二相粒子化学组成中的原子系数；
Γ
为第二相与基体间的界面能；
q
为表征第二相轴比的相关参数；为第二相的临界形核半径；
[0033]第二相的临界形核半径采用下式计算：
[0034][0035]式中，
Δ
g
为第二相形核化学驱动力
。
[0036]进一步优选地，相形核势垒
Δ
G
*
采用下式计算：
[0037][0038]式中，
Δ
g
为第二相形核化学驱动力；为描述不同轴比第二相形核的激活能引入的系数；
[0039]第二相临界形核原子相关的系数
β
*
为：
[0040][0041]式中，
a
*
为第二相与基体的平均点阵参数；
X
sec
为第二相析出前控制第二相析出元素的原子体积分数；
D<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种模拟第二相析出过程的方法，其特征在于，包括：
S1
：建立第二相析出的元胞自动机模型，将单相晶粒组织作为第二相析出的初始晶粒组织输入元胞自动机模型；
S2
：当前初始晶粒组织满足形核孕育期条件后，在晶界处随机选择元胞并赋予该元胞一个0～1之间的随机数，计算当前时间步的第二相形核数目，同时得出当前时间步的形核概率；比较当前元胞的随机数与形核概率的大小，若当前元胞的随机数＜形核概率，则当前元胞由基体转变为第二相，相状态转变为第二相状态，相状态变量由0转变为1，并赋予析出角度变量；反之，当前元胞不满足条件，相状态变量保持不变；
S3
：遍历当前计算域内的所有元胞，依次判断每一个元胞的状态是否满足状态转变条件，对满足状态转变条件的元胞进行元胞相状态的转变，第二相界迁移，实现第二相生长；
S4
：判断当前计算时间是否达到模拟第二相析出设定时长；若不满足，则返回
S2
；若达到第二相析出模拟设定时长，则终止计算，输出模拟结果
。2.
根据权利要求1所述的模拟第二相析出过程的方法，其特征在于，
S1
中，元胞自动机模型的元胞采用正方形元胞；每个元胞具有5个状态变量，分别为：晶粒取向变量，表示晶粒的取向；晶界变量，区分元胞处于晶界或者晶粒内，0表示元胞处于晶粒内，1表示元胞处于晶界处；相状态变量，区分第二相与母相，0表示母相状态，1表示第二相状态；控制第二相元素浓度变量，计算过程通过控制第二相元素浓度变量在不同位置处的差异控制第二相生长速率；相转变分数变量，代表第二相生长界面前端元胞发生第二相转变的比例
。3.
根据权利要求1所述的模拟第二相析出过程的方法，其特征在于，
S1
中，元胞自动机模型的元胞转变规则为：
1)
第二相生长前端元胞生长速率大于0；
2)
元胞位于第二相与母相的相界处，本身状态为非第二相元胞，析出角度方向的邻居内存在第二相元胞；
3)
元胞的第二相转变分数变量
≥1
，第二相转变分数变量可表示为：式中，是从当前计算元胞成为第二相与基体界面处时刻开始计时，
t
时刻的第二相转变分数；
4)
满足上述
1)、2)
和
3)
条件的元胞，发生相转变，由基体转变为第二相
。4.
根据权利要求1所述的模拟第二相析出过程的方法，其特征在于，
S2
中，当前时间步的第二相形核数目通过形核率模型计算得到，形核率模型如下式：式中，为材料体第二相析出密度；
Z
为
Zeldovich
因子；
β
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张福祥，侯召堂，孟永乐，殷尊，林琳，吕一楠，高磊，孙璞杰，李佼佼，吕游，朱婷，高延忠，王桢皓，
申请(专利权)人：西安热工研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：