冷轧锆合金退火过程再结晶组织演变的元胞自动机模拟开题报告

1．课题意义及国内外研究现状

1.1选题背景与意义

目前世界范围内，除了核动力潜艇，核动力航空母舰外，440座民用核电站已建成并运营着。而在核能工业中，锆及其合金具有热中子吸收截面小的突出优点，这就能够保证原子能反应堆中有足够的热中子数量维持反应堆正常运转。除此以外锆合金还具有加工性能良好，耐腐蚀性较高，机械强度适中等优点。因此被广泛用作水堆的结构材料，如包套材料，定位格架及端塞等，因而锆也被称为“原子时代的第一号金属”。目前世界锆年生产能力约为7000t，每年用于用于核工业的数量约为3000t。而含锆的工业级锆则用于冶金、化工、机械和兵器工业，年用量在2000t左右。

由于自身拥有良好的塑性加工性能，锆合金可制成板材、管材、棒材和丝材等产品。应用于核反应堆复杂环境中的核用锆合金，一般要求尺寸精度高，显微组织均匀，材料各向异性控制良好，力学性能稳定。因此，这对于锆合金的加工工艺提出了严格的要求和挑战。近年来，随着集成计算材料工程（ Integrated Computational MaterialsEngineering, ICME）的快速发展，传统的基础理论研究逐渐在工业生产中得到了应用。ICME 将复杂的材料加工过程和材料力学性能联系起来，通过虚拟实验为材料设计和加工工艺制定提供可靠的辅助信息。通过介观尺度建模手段对锆合金退火过程再结晶组织演变进行模拟，探究织变形不均匀性以及热处理制度对再结晶过程微观组织演变的影响规律，这对锆合金冷轧退火过程的工艺制定以及微观组织调控具有重要的作用。基于此，本课题将采用元胞自动机，对冷轧锆合金退火过程再结晶微观组织演变进行研究，研究退火工艺参数对再结晶组织演变微观形貌特征的影响规律。

势在必行。

1.2国内外研究现状

传统的制造业列如船舶，汽车，飞机，金属冶炼等国家支柱产业均会涉及到材料的制备，传统的金属材料制备过程一般分为以下几步：选定各种材料的配比、确定合适的温度对材料冶炼、使用外力或者模具使材料成形、使用仪器对材料的性能以及组织结构进行研究。因此这种正向的制备过程需要大量的制备前的试错实验，研究的结果基本都是定性的，很难得到最优化的结果。现代的材料科学便针对这个问题提出了逆向研究，即从性能出发去制备新材料。随着材料学理论和计算机技术的一点点量变的进步，材料科学与工程的关系正慢慢形成质变。借助于计算机的高频计算与可视化模型，材料科学逐步从定性分析发展到定量分析。

金属的微观组织是在冶炼，铸造成形，塑性加工，热处理等工艺过程中形成的，其中塑性加工和热处理对材料的最终微观组织结构及其性能起着至关重要的作用。而材料的性能实质上是无数个最终微观组织拼接而成的在实际使用中的宏观表现。由此可见，材料的最终微观组织结构在设计材料时是重中之重，它会直接影响到设计出来的材料的性能。传统的材料学也有自己的方法去检测及分析材料的微观组织结构，列如金相检测法，电子显微镜观察法等一些费时，滞后，且没有代表性的研究过程，距离定量化研究的水平还是有很大差距的。现代材料学针对以前的缺陷提出了晶体塑性理论，有限元分析和元胞自动机。这些新理论和新技术使得材料微观组织结构定量化的研究和设计成为可能。通过计算机仿真材料的微观组织在塑性加工和热加工时的变化。人们可以得到材料微观组织架构的变化以及精确的数字，对于后期的设计材料微观组织结构和预测产品性能起了重要的作用。由此可见，与传统研究方法相比，材料微观组织结构变化过程的仿真研究可用精确的数字和图像更快更直接的反映出微观组织结构的设计效果，让研发人员对于自己设计的缺陷有更直观的了解，进而获得理想的材料微观组织结构和性能以满足使用需求。作为新兴的计算机材料学的重要组成部分，材料微观组织结构变化过程的仿真研究已成为当今国际材料研究领域的前沿方向之一。

众所周知，在材料成形和热处理过程中，晶粒长大和再结晶是两种客观存在的现象，如材料存在内应力并加热时会出现晶粒长大的现象、冷变形材料再经过退火时会出现静态再结晶和晶粒长大现象，材料加工时会出现动态和静态再结晶现象等。这写加工步骤无非是为了加强金属的某个性能，正如上文提及的，性能是最终微观组织结构的外在宏观表现，故最终微观组织的结构再这个过程中发生了变化，其中变化最大的是最终微观组织晶粒尺寸。后来人们也提出最终微观组织的晶粒尺寸既反映材料的微观组织特征，又直接影响材料的性能。例如，低碳钢中晶粒尺寸与强度、脆性转变温度有直接关系;细化晶粒是提高结构钢韧性的唯一方法; 晶粒度的提高对于铝合金不仅可以提高强度更能改变表面粗糙度并提高变形能力。因此，通过研究再结晶和晶粒生长的目的是为了控制最终组织的晶粒尺寸以改善工业中遇到的一些问题。在这些理论上，通过计算机实现模拟材料晶粒的生长和再结晶现象，可以实现微观组织结构变化过程的动态仿真，用图片和数据来展示它们的形状、大小、数量、分布状态等特征，从而让人们能够预测材料性能，深入研究组织结构变化过程的内在机理，为材料设计及其优化提供大量传统方法无法提供的模拟实验信息，缩短材料研究和开发的周期，加快已有相关理论进一步完善的步伐。自从微观组织结构的逆向分析诞生开始，形形色色的分析模型应运而生。列如基于蒙特卡洛（Monte Carlo，简称MC）模型和元胞自动机（Cellular Automata，简称CA）的材料晶粒生长和再结晶过程仿真的研究十分活跃且获得很大的发展。

迄今为止，国内外对材料的晶粒长大和再结晶现象进行了广泛的研究，基本上认识了它们的形成机制、影响因素及其变化规律，形成了相关的理论和知识体系。但是由于钛和锆它们的各向异性六角形结构，所以他们再重结晶过程中微观结构的演变很少受到关注。因此掌握锆合金的变形和再结晶过程中晶体结构的演变知识对于了解这些金属的机械性能非常重要。钛重结晶过程的不同阶段已在几篇论文[1-7]中讨论过了。使用光学显微镜，硬度测量，电阻率和X射线衍射[8-13]对锆的复原和重结晶进行了早期工作。这些研究只给了关于重结晶过程中微观组织演变的一些粗略信息。最近发表的论文处理这个研究课题非常新颖，是通过透射电子显微镜（TEM）在不同时间点的400°C[14]对前一段时间的样品Zircaloy-4的轧制板轧制进行了调查。观察结果表明，短时间后脱位细胞初步形成，子晶粒组在退火末期出现。另一个值得注意的贡献是对轧制并退火的Zr-702板材进行的X射线研究，该研究表明，拉伸后的最终重结晶织构在很大程度上取决于所施加拉伸应变的方向[15]。经过一个世纪，新的调查方法应运而生，让我们对重结晶机制有更深入的了解。其中，电子背散射衍射（EBSD）可以研究热处理过程中晶粒取向的演变。该技术最近被用于研究Zircaloy-4 [16]和Zr-702 [17]的静态重结晶。这些都是按照传统的材料制备过程和研究方法所进行的正向研究，付出了长时间、高成本、低效率、低精度的代价，且所建立的理论和知识不免具有局限性，不能准确揭示相关规律及其形成机制，有待于继续发展与完善。但也借助于这些论文提供的数据，我们得以用计算机进行冷轧锆合金退火过程再结晶组织演变的元胞自动机模拟。数学家VonNeumann在 19 世纪 50 年代提出了元胞自动机方法，最初用于描述生物体发育过程中细胞的自我复制行为。直到 80 年代，元胞自动机方法才开始被研究者应用于材料科学的相关研究领域，并逐渐发展为材料微观组织演变模拟的重要方法之一。元胞自动机通过时间、空间和状态离散以及局部空间和时间上的状态转变规则组成一个动力学系统，从而实现离散状态变量随时间和空间的演变模拟。本课题用元胞自动机方法对锆合金再结晶微观组织演变过程进行建模。对于晶粒形核生长过程微观组织演变的建模过程，其元胞状态转变规则由相应的形核和生长数学模型推导而得。

综上所述，相对于传统的耗时费力的正向研究，很少论文利用元胞自动机对冷轧锆合金再结晶组织演变进行研究。同时，

综上所述，相对于传统的耗时费力的正向研究，很少论文利用元胞自动机对冷轧锆合金再结晶组织演变进行研究。同时，多尺度与全流程模拟是计算材料学的热点与难点，能够在时间与空间上实现锆合金加工的多尺度与全流程模拟，在物理模型、模拟算法以及计算效率等方面仍有很多问题亟需解决。 所以，利用元胞自动机对冷轧锆合金退火过程再结晶组织演变进行研究是大势所趋。

1.3参考文献

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[18].胡旭坤, 核级锆材生产现场质量控制方法. 金属世界, 2019(02): p. 38-40.

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[24].穆治宏, 基于元胞自动机方法的再结晶过程数值模拟. 2010, 河北工业大学.

2．课题研究目标与研究内容

2.1研究目标

本课题拟采用元胞自动机法，结合晶体塑性与热力学计算模型，对锆合金退火过程再结晶微观组织演变现象进行研究。综合考虑材料初始组织结构、变形储能分布以及退火温度对再结晶的影响。

2.2研究内容

针对上述研究目标，本课题的研究内容主要分为以下几方面

（1）建立锆合金退火过程再结晶组织演变的元胞自动机模型；

先基于材料的金相图片，结合图像处理技术，提取不同部分的几何信息，进而实现材料晶体结构的数字化模型。在将材料属性参数输入元胞自动机的模型后，计算机将模拟现实中冷轧锆合金晶粒退火再结晶的过程（形核，晶粒生长）

（2）确定模型相关的材料属性参数；

从大量文献中获取并整理前人对于锆合金正向研究的实验结果，同时结合实际情况对于这些数据进行校核与修正。确定关键属性（再结晶形核速率，界面迁移率等）

（3）研究退火工艺参数对再结晶组织演变的微观形貌特征以及转变动力学的影响规律

经过冷轧的锆合金板加热到高于其再结晶温度，使之进行重新成核和晶粒生长，已获得和原来晶体结构相同而没有内应力的新的稳定组织。这个过程中，原本大的晶粒会再结晶为许多小的晶粒进而其微观形貌特征发生变化。不同的退火温度同时也会影响再结晶体积分数的变化与形核率、长大速度以及时间之间的关系。

3．拟采取的研究方法、技术路线及可行性分析

3.1拟采取的研究方法与技术路线

本课题采用元胞自动机法，对冷轧锆合金退火加工中再结晶进行模拟。研究初始变形和退火温度对再结晶晶粒结构的影响，实现冷轧锆合金退火加工过程晶粒结构演变的全流程模拟。具体方案和技术路线如下：

（1）初始多相组织几何模型建立

基于组织金相图片，通过图像处理及优化算法建立初始组织几何模型，其初步技术路线如下：

（2）锆合金退火过程再结晶模拟

耦合晶体塑性有限元与锆合金再结晶元胞自动机转变模型，模拟锆合金退火过程中晶体再

结晶过程。再分析不同初始变形和退火温度对再结晶的影响，来实现不同情况下锆合金晶

粒再结晶的预报。

3.2可行性分析

（1）CA 法进行相变与再结晶组织模拟已经有多年的研究与发展历史。采用的形核与生长模

型也从最初不确定性的概率驱动发展到现在确定性的自由能驱动，模拟的结果也得到了一定

的试验验证。本文采用 CA 法研究锆合金在退火加工过程中再结晶的微观结构演变是切实

可行的。

（2）经典的再结晶的形核与长大模型研究已经比较成熟，已经得到了大量的试验验证。

本课题在经典的形核与生长理论模型的基础下，研究锆合金生产过程中再结晶的转变机理，

并进行微观组织演变模拟是可行可靠的。

（3）笔者已具有有限元模拟项目经验与实际编程解决问题的经验，已对 CA 算法有所理解，

这些都为本课题的研究开展提供了良好的基础。

4．本课题主要参考文献

[1]. Zhu, K., et al., A study of recovery and primary recrystallization mechanisms in a Zr–2Hf alloy. Acta Materialia, 2005. 53(19): p. 5131-5140.

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[3]. 周宇, 国产新锆合金管材冷轧过程中的微观组织与织构研究. 2012, 重庆大学.

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[5]. Tian, H., et al., Recrystallization behavior of cold-rolled Zr–1Nb alloy. Journal of Nuclear Materials, 2015. 456: p. 321-328.

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[8].陈欣, Zr_4合金变形及退火过程中组织与织构演变. 2018, 重庆大学.

[9].马永富, Zr_Sn_Nb合金冷轧退火带材的组织与性能研究. 2015, 湖南大学.

[10].周莹, 新锆合金管材退火过程中组织及织构演变研究. 2015, 重庆大学.

[11].穆治宏, 基于元胞自动机方法的再结晶过程数值模拟. 2010, 河北工业大学.

[12] Derep JL, Rouby D, Fantozzi G. Memoires et Etudes Scientifiquesde la Revue de Metallurgie 1981;11:585.

[13] Bechade JL, Pele J. Technical report SRMA 94-1466, CEASaclay, 1994.

[14] Chaubet D, Bacroix B, Bechade JL. Mater Sci Forum2002;408:797.

[15] Dewobroto N, Bozzolo N, Barberis P, Wagner F. Mater SciForum 2004;467–470:453.

5．本课题的具体进度安排（包括序号、起迄日期、工作内容）

2022.3.05-2022.3.15 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 建立锆合金退火过程再结晶组织演变的元胞自动机模型

2022.5.01-2022.5.20 确定模型相关的材料属性参数

2022.5.21-2022.5.31 通过模拟，研究退火工艺参数的影响规律。

2022.6.01-2022.6.10 撰写毕业设计论文

2022.6.11-2022.6.22 整理毕业设计材料、评阅、答辩