多晶材料晶粒生長格子Boltzmann模型及數值模擬.pdf

1、工程廣泛使用的諸多金屬材料都是多晶材料，其力學性能與材料內部結構形式（如晶粒尺寸、晶粒分布等）密切相關。研究表明材料的力學性能通常將隨著系統平均晶粒尺寸的減小而增加，如納米晶體金屬材料表現出比其相應粗晶材料更高的強度和硬度。因此，理解晶粒的生長行為和規(guī)律對于控制材料微結構具有重要的意義，其將為制備高強高硬的先進材料提供理論依據。
　　在過去的幾十年里，為了預測晶粒生長的動力學行為，研究者們提出了許多晶粒生長的理論模型。然而，這些理

2、論模型只能給出平均晶粒尺寸隨時間的演化關系及多晶材料的尺寸分布等生長特征，對于復雜的晶粒生長過程（如拓撲結構演化、晶界交互等）難以進行準確地描述。近年來，計算機模擬成為探索晶粒生長動力學行為及微結構演化細節(jié)的有效工具，目前廣泛采用的晶粒生長數值模型包括波茨模型、頂點模型和相場分析模型等。然而這些模型在模擬晶粒生長的過程中仍然存在一些不足，如波茨模型中存在模擬時間和真實時間轉換困難、頂點模型則難以擴展至三維模型、相場模型難以和多物理場進行

3、耦合等，較難應用于復雜晶粒生長行為的模擬分析。近年來針對反應擴散行為問題分析所發(fā)展起來的格子Boltzmann方法(LBM)具有理論清晰直觀、程序實現容易、并行性好和邊界條件處理簡單等優(yōu)點，逐漸成為模擬晶粒生長行為的理想方法。然而目前相關研究主要集中在樹枝晶的生長研究，如在過冷熔體內樹枝晶的晶粒生長和強制熔體對流中樹枝晶的晶粒生長等，針對單相和多相多晶體材料晶粒生長的格子Boltzmann模型和方法方面的研究較少。
　　本文主要基

4、于反應擴散問題分析的格子Boltzmann模型和方法，提出了晶粒生長的擴散界面模型，對由曲率驅動的晶粒生長行為進行模擬分析和討論，并研究了固定顆粒和溫度梯度等因素對多晶體晶粒生長行為的影響。研究發(fā)現所提出的模型的模擬結果與相場模型給出的結果及理論結果一致。針對二維系統中晶粒生長的模擬結果表明在單相系統中晶粒生長行為遵循冪律動力學，兩相固定顆粒對晶粒生長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