基于元胞自动机的再结晶组织演变在线模拟系统开发开题报告

1. 研究目的与意义

再结晶是冷变形金属在加热条件下生成一种全新组织结构的过程,通常包括再结晶晶核形成及晶粒生长两个阶段。从再结晶形核开始,生成一种无缺陷、低能态的全新晶粒形核后的新晶粒开始生长,直至互相接触最后,完全或基本上取代了高缺陷密度的变形基体,完成再结晶。

随着社会的进步和现代工业的发展,金属材料在国民经济中起着越来越重要的支柱作用。一切经热加工或冷加工后再加热的金属材料内部都会出现再结晶过程,一切金属多晶体的加热过程都包含晶粒长大过程。而再结晶和晶粒长大过程都对应金属材料化学、物理、力学等各种性能的一系列变化。可见,再结晶和晶粒长大过程是制作金属材料最重要的物理冶金过程之一,以致在许多金属材料生产工艺过程中,如加热、热变形、变形热处理、再结晶退火、合金回火、合金脱溶、粉末冶金等,都得到了广泛应用。基于此,长期以来,世界各国对于材料再结晶和晶粒长大过程的相关规律及其形成机理的研究十分重视,为其实际应用奠定了很好的基础。

金相观察是研究材料再结晶和晶粒长大过程的传统试验方法,既滞后、费时又不全面、精确,只能达到定性或半定量化的试验研究要求。据此开展的再结晶和晶粒长大过程的多年研究,取得了很多理论成果,如再结晶的定向形核和选择生长理论、唯象理论等,晶粒长大的诺依曼模型、气泡链模型、希勒特模型等。但是,对于它们的微观组织结构演化机理的准确解释还存在许多问题,并且还不能揭示它们之前的塑性变形过程的微观影响。晶体塑性理论、有限元理论和再结晶理论的结合,不仅使得再结晶和晶粒长大过程的定量化研究和设计变为可能,进一步深化了理论研究,而且可以建立塑性变形过程与再结晶过程的介观联系。现代计算机仿真技术所发展的虚拟试验方法为模拟金属材料再结晶和晶粒长大过程以实现对其组织动态演变的数值模拟和图像模拟提供了手段,使得完成其微观结构设计和最终通过相关数学模型来预测产品的性能成为可能。由此可见,科技进步促进了研究方法的发展,深化了对材料再结晶和晶粒长大过程的认识。近多年来,蒙特卡洛（montecarlo，简称mc）方法和元胞自动机（cellularautomata，简称ca）方法成为材料再结晶和晶粒长大过程仿真研究的主要方法,不仅实现了该过程仿真的虚拟试验,而且促进了有关理论的新进展,加深了对该过程微观机理的认识。但是ca方法研究相对滞后,特别是在国内刚刚起步,大量的模拟研究工作有待于开展。因此,本论文课题侧重开展金属材料再结晶和晶粒长大模拟ca方法的研究,包括晶粒长大和再结晶模型的物理基础、建模及其技术、应用程序编制及其技巧、模型及其程序的检验、模拟准则和条件对再结晶模拟的影响等。本论文工作的完成不仅可探究ca方法应用的可能性,为国内基于ca方法的金属材料再结晶和晶粒长大模拟研究提供了案例,而且通过虚拟实验可研究模型及其模拟条件对该过程仿真的影响,加深对该过程微观机理的认识。可见,此研究既有一定的学术价值和理论指导意义,又有很好的实际指导意义。

2. 研究内容和预期目标

建立静态再结晶形核、生长与粗化的标准元胞自动机模型，利用元胞自动机把控材料静态再结晶的变化过程，能够有效模拟初期形核以及后续长大过程，实时监测有助于研究者们揭示演变机制，而不是单纯停留在实验结果的分析来推测演变过程。将实验与数值模拟ca法有机结合是最高效便捷的研究手段，能够相互补充，既能由实验结果有效设定模拟前的组织状态，又能针对实验需求改变元胞自动机参数设置。

（1）建立静态再结晶形核、生长与粗化的标准元胞自动机模型；（2）通过参数化程序设计，编写再结晶组织演变标准化模拟程序；（3）通过djangoweb开发，设计相应的web界面，建立再结晶组织演变在线模拟系统。

3. 研究的方法与步骤

本论文工作的完成基于ca方法的金属材料再结晶和晶粒长大模拟研究,通过虚拟实验可研究模型及其模拟条件对该过程仿真的影响,加深对该过程微观机理的认识。

2.2.1对变形组织及储存能的了解

在冷变形过程中,金属晶粒的形状会发生变化,晶粒原来的外形沿着变形方向伸长冷变形还会引起晶粒取向的转动,在多晶体内形成一定类型的织构,而且晶体内的缺陷还会增加。正是由于上述变化导致材料的物理和力学性能也发生相应的改变。冷变形组织在热力学上是不稳定的。在退火时,随着温度升高,时间延长,储存能逐渐释放,材料的组织和性能会发生一系列的变化。一般来说,冷变形金属退火过程分为三个阶段回复,再结晶和晶粒长大。各个阶段组织和性能的变化是不同的。

4. 参考文献

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5. 计划与进度安排

2022.2.24-2022.3.15收集资料，并完成英文文献翻译2022.3.16-2022.3.25撰写开题报告，完成开题工作2022.3.26-2022.4.10学习元胞自动机理论知识2022.4.11-2022.4.30建立静态再结晶形核、生长与粗化的标准元胞自动机模型2022.5.01-2022.5.20编写再结晶组织演变标准化模拟程序2022.5.21-2022.5.31建立再结晶组织演变在线模拟系统2022.6.01-2022.6.10撰写毕业设计论文2022.6.11-2022.6.19整理毕业设计材料、评阅、答辩