[发明专利]一种奥氏体化组织演变的双尺度元胞自动机模型模拟方法

说明书

本发明提供了一种奥氏体化组织演变的双尺度元胞自动机模型模拟方法，用于对低碳钢退火过程发生的奥氏体化转变的微观组织演变形貌与动力学进行模拟，以解决目前单一尺度元胞自动机模型无法考虑珠光体组织结构特征对奥氏体化转变影响的问题。本发明的方法通过以下步骤实现：步骤一：根据初始组织金相图片建立初始组织几何模型；步骤二：在珠光体组织元胞内定义铁素体和渗碳体亚元胞；步骤三：根据形核、生长以及元素扩散模型，计算奥氏体化过程的界面迁移以及碳元素扩散。相对于传统的单一尺度元胞自动机模拟方法，本发明的方法能够更加准确地反映低碳钢退火过程的微观组织演变特性，并实现对其微观组织形貌演变以及转变动力学的定量预测。

技术领域

本发明涉及集成计算材料工程领域，具体地涉及一种应用于低碳钢退火处理过程中微观组织演变行为模拟的双尺度元胞自动机模拟方法。

背景技术

集成计算材料工程(Integrated Computational Materials Engineering,ICME)将复杂的材料冶金过程和材料化学成分以及加工工艺联系起来，通过虚拟实验为材料设计和加工工艺制定与优化提供可靠的辅助信息。钢铁材料制备与改性过程中，固态相变是其中的重要现象之一，热处理过程发生的微观组织演变对材料最终力学性能具有决定性作用，准确的热处理过程微观组织演变形貌特征和动力学预测对钢铁材料的性能调控具有重要的意义。

为了调节材料的组织和性能，钢铁材料在热处理时通常需要加热到奥氏体相区或两相区使组织发生完全或部分奥氏体化，奥氏体化过程主要涉及到铁素体和渗碳体组织溶解以及新生奥氏体组织的产生。奥氏体化过程的组织状态，如合金元素分布和微观组织形貌，与冷却后获得的材料组织形貌、晶粒尺寸以及机械性能紧密相关。

通常研究钢铁材料连续退火过程中微观组织的演变行为的计算机模拟包括宏观数学模型和介观尺度模型。宏观数学模型大多基于经验或半经验的数学模型发展而成，随着数值分析方法的发展，目前，一些主流商业有限元软件，如MSC.Marc、Simufact、Deform和sysweld等，均集成有相应的宏观组织转变模型，并且在工业生产得到了一定的应用。然而，宏观数学模型大多属于经验或半经验模型，缺乏对转变过程微观机理的深入探究，其预测结果的准确性往往依赖于大量的实验数据校核，并且模型参数对材料成分和加工工艺具有一定的依赖性，模型的通用性较差。

宏观数学模型通常只能对材料组织演变的综合统计信息进行预测，如晶粒尺寸分布和转变动力学等，无法对组织演变过程中的微观结构信息进行描述，如微观组织形貌特征、织构、以及合金元素浓度分布等。这些微观结构的演变过程决定了材料的最终组织和性能，因此通过数值模拟技术实现材料加工过程微观组织演变的预测和控制具有重要的意义。随着计算机性能的不断提高以及数值计算方法的发展，在介观甚至微观尺度对材料生产和加工过程微观组织演变的动态和定量模拟已成为可能。介观尺度模拟方法以材料组织转变的微观物理机理为基础，通过相应的物理模型对微观组织结构变量的演变进行定量描述，并通过空间和时间的离散对实际问题进行求解，从而实现转变过程材料微观组织演变的动态模拟。目前，介观尺度模拟已被广泛应用于金属材料加工的多个领域，包括铸造、焊接、塑性成形以及热处理等。介观尺度模拟方法包括代表体积单元方法、蒙特卡罗方法、相场方法、元胞自动机法等。

元胞自动机方法(Cellular Automaton，CA)最早由Ulam和Von Neumann在19世纪40年代为了建立生命系统自复制理论模型而提出，用于研究生命系统演化以及生物的自复制行为。元胞自动机方法可用于描述复杂系统在离散空间和时间上的动态演化规律。随着近二三十年的发展，元胞自动机方法逐渐成为材料微观组织演变模拟的重要方法之一。