三维微观组织模拟及其表征分析技术的研究进展

多晶材料的微观组织结构在一定程度上决定了其宏观力学性能,微观组织的三维仿真及其表征对于预测和研究材料内部真实组织结构及其演化规律具有重要的意义。本文对目前常用的三维模拟方法与表征技术在材料科学领域的应用进行了总结,叙述了目前常用的几种三维模拟方法及表征技术的基本原理,并对其最新研究进展、研究热点以及难点进行了分析,提出了未来在材料科学领域中的研究内容与方向。     

晶粒生长过程的相场模型研究进展

材料微观组织很大程度上决定了其宏观物理力学性能,采用相场模型来模拟多晶材料体系的晶粒生长已成为国内外研究微观组织的热点之一.相场模型的核心在于引入一系列保守场和非保守场变量来表述微观组织的空间分布.详细介绍了场变量模型的基本原理和数值计算方法,综述了相场模型在晶粒长大模拟中的最新进展,提出了相场法在微观组织模拟中存在的问题及今后研究的方向.     

金属热成形过程的综合数值模拟

金属在热成形过程中的微观组织演变是影响产品力学性能的关键因素,该演变过程取决于温度、应变和应变速率。本文基于有限变形理论和微观组织演变的数学模型,建立了能够模拟变形过程、温度变化过程和微观组织演变过程的有限元法,研制了通用的三维有限元计算软件,并在H型钢三维热轧模拟方面进行了深入开发,给出了原材料为C-Mn钢的H型钢热轧过程综合模拟结果。综合对比了8组不同工艺下的热轧实验结果和计算机模拟结果,二者均吻合良好,表明本文方法能够较好地预报金属热成形过程。     

铸造合金的微观组织模拟研究进展

凝固过程的数值模拟正在由宏观向微观转变。微观模拟不仅可以得到材料的凝固组织，而且还能为宏观模拟提供准确的潜热释放信息。针对目前微观组织模拟的研究现状，分析了几种主要的模拟研究方法，如确定性模拟方法、随机性模拟方法和相场方法等，阐述了其主要特征和模拟微观组织时存在的优缺点。最后对微观模拟中现存的问题及发展方向作了分析。     

基于三维重构的材料微观结构研究现状

讨论了材料科学进行三维重构的意义和必要性,详细介绍了基于三维重构的材料微观结构研究的4个步骤:二维图像的获取、二维图像的处理、三维重构和材料微观结构研究.提出由于基于三维重构的材料微观结构研究材料能够分析出材料的宏观力学性能对微观结构的依赖关系,所以进行基于三维重构的材料微观结构研究方法能够对复合材料的设计提供有力的支持.     

CA-FE法凝固组织数值模拟的应用研究进展

论述了CA-FE(元胞自动机-有限元)法模拟金属材料凝固微观组织的原理及国内外的研究现状,提出了目前存在的问题和进一步的研究趋势,特别是应用到有色金属材料和贵金属材料的凝固微观组织的计算机模拟研究中.     

AZ31镁合金等通道转角挤压应变累积均匀性分析及组织性能研究

等通道转角挤压工艺(Equal Channel Angular Pressing,ECAP)是通过剧烈塑性变形改变微观组织结构生产超细晶粒材料的材料加工方法,工件变形的均匀性一直是ECAP 工艺过程中影响材料性能的主要原因之一.采用空间转换法实现了AZ31镁合金多道次ECAP挤压过程中有限元分析相关场量的准确传递,完成了四种不同挤压路径ECAP多道次挤压工艺的有限元模拟,获得了相应挤压件累积等效应变的分布规律.研究确定了经过四道次ECAP挤压以后等效应变累积最为均匀的挤压路径.通过微观组织观察和室温拉伸力学性能实验探讨了不同路径多道次ECAP挤压AZ31镁合金的组织性能变化规律.分析结果表明通过合适的变形路径可以获得细小而均匀的微观组织,当材料的应变累积均匀时,其力学性能也较好.     

钨合金动态力学性能的三维数值模拟研究

采用数值模拟的方法对钨合金在冲击载荷作用下的动态力学响应进行了研究。运用有限元动力分析程序建立了具有典型微观结构钨合金三维有限元单胞模型,对钨合金在拉伸载荷作用下的动态力学性能进行了数值模拟研究,分析了应变率对其力学性能的影响,给出了不同应变率条件下单胞模型的应力和应变分布云图,在与实验结果对比的基础上验证了该有限元模型的可靠性。     

金属凝固微观组织数值模拟研究现状

通过对凝固微观组织的模拟,能很好地预测材料的性能,对实际应用具有重要意义。对微观组织模拟中的3个主要模型(确定性模型、随机性模型和相场模型)及它们的应用现状进行了阐述,并分析了它们的优缺点。随着计算机技术的发展,新的计算模型的出现将使金属凝固微观组织的数值模拟向着高精度、高效率和高速度的方向发展。     

基于CAFE法模拟自然对流对微观组织的影响

在分析元胞自动机-有限元(CAFE)法模拟凝固过程微观组织物理本质和数值计算方法的基础上,运用该法模拟了对流对凝固过程中的温度场、缩孔和疏松及微观组织的影响。模拟结果表明:该法可以实现铸件三维微观组织的模拟,模拟结果与实验吻合较好。对流可以起到均匀温度场的作用;对流对凝固过程中的补缩有一定的影响,使缩孔、疏松形貌不规则;对流可以细化铸件的微观组织。     

微观结点数目对显微偏析数值模拟的影响

凝固过程微观数值模拟是目前材料学科研究的一个热点，其中显微偏析数值模拟具有重要的指导意义，国内在此研究方向上尚处于起步阶段。研究了显微偏析数值模拟中微观结点数目对计算结果的影响，并与试验结果进行了对照，指出基于迭代方法的显微偏析模拟结果与微观时间步数之间的关系为弱影响，不需大量的微观结点数目即可获得比较精确的模拟结果。     

Ti-Al_3Ti层状复合材料的研究现状与发展

概述了Ti-Al3Ti层状复合材料的国内外研究现状,着重论述了压力加工复合材料的制备技术,同时归纳了Ti-Al3Ti层状复合材料的微观组织及力学性能方面的研究,发现材料微观组织结构可控并具有高的强度和断裂韧性。此外还从材料制备、成形、设计及模拟的角度对这种新型层状复合材料的研究方向提出了进一步的想法。     

碳-碳编织复合材料微结构设计与力学性能预测

通过对多向编织C/C复合材料微结构的表征,研究了其多尺度的结构特征,并对各方向纤维束以及三向缎布穿刺等三维C/C编织复合材料微观组织结构进行设计,创建不同编织材料微结构的"重复性单元块"(RUC)的有限元模型。对构造的材料微结构进行了强度、热应力的分析,预测其不同方向的弹性模量、热膨胀系数以及温度对热膨胀系数的影响等,为通过数值分析方法研究C/C编织复合材料的力学性能提供了重要手段。     

基于连续切片的三维重构技术在材料凝固组织研究中的应用

讨论了在材料科学与工程研究中进行三维重构的意义和必要性,介绍了基于连续切片的三维重构技术的理论、方法及在材料科学与工程中的研究和应用进展.指出基于切片的三维重构技术对材料凝固过程中微观结构定量分析、微观组织-性能的研究提供了有力支持,结合数值模拟技术可为材料凝固过程中复杂组织的形成机理及凝固理论的发展提供理论和精确的实验依据,从而对新材料的设计与开发产生重要作用.最后简要介绍了三维重构技术在定向凝固过程中多相组织分析的应用,并展望了三维重构技术的发展方向.     

基于分子动力学的磁流变液微观结构演化模拟与动态聚合分析

磁流变液优异的力学性能与高效的可控性能使其成为具有广阔应用前景的一类新型智能材料.针对磁流变液宏观力学性能与其微观结构行为的密切相关性,本工作采用分子动力学仿真软件LAMMPS开展了不同磁场强度和颗粒体积率下磁流变液的微观结构演化模拟,并在此基础上分析了磁流变液的宏观力学性能;进而通过对不同磁场强度、不同颗粒体积率和不同剪应变下磁流变液模拟微观结构的定性观察与定量分析,深入剖析了磁流变液微观结构的演化规律与链簇倾角的统计特性.本工作为进一步揭示磁流变液微观机理与宏观力学性能相关性、开展磁流变液材料及其组成构件的设计优化提供关键理论基础.     

叶片精密锻造过程数值模拟技术研究进展

介绍了叶片精锻成形的三维有限元数值模拟的过程,以及固体型塑性有限元法和流动型塑性有限元法的特点,针对近年来叶片精锻成形的三维有限元数值模拟技术对工艺参数及微观组织演化进行模拟的现状,进行了详细论述,在此基础上,提出了叶片精密锻造的三维有限元数值模拟技术未来发展的方向。     

铝合金线性摩擦焊研究现状

线性摩擦焊作为一种新型的固相焊接技术,热输入低、焊接应力小,适合于铝合金的焊接。介绍了线性摩擦焊的工作原理,主要综述了铝合金线性摩擦焊数值模拟、微观组织和力学性能等3个方面的研究进展。在此基础上,着重介绍了摩擦压力、焊接时间及振动频率等工艺参数对铝合金线性摩擦焊微观组织和力学性能的影响,介绍了工艺参数对铝合金与不锈钢、纯铜、镁合金等异种金属线性摩擦焊微观组织、力学性能及金属间化合物种类和分布的影响。最后,对铝合金线性摩擦焊在数值模拟、接头性能及金属间化合物调控方面存在的不足进行了总结,并对其主要发展方向进行了展望。     

用改进的Monte Carlo算法模拟晶粒生长

材料微观组织结构决定材料的宏观力学性能.Potts模型是实现晶粒生长过程仿真的一种重要方法.在Radhakrishnan和Zacharia提出的Monte Carlo算法的基础上提出了一种改进的Monte Carlo算法,利用该算法对晶粒生长过程进行了模拟,模拟的微观组织多为等轴晶,晶粒生长指数为0.512.模拟结果表明,该算法能够准确模拟晶粒生长过程.     

CPP/PLLA软骨组织工程支架复合材料初步研究

采用溶媒投放、颗粒滤取技术制备出CPP/PLLA软骨组织工程支架复合材料,测试了该复合材料的物理力学性能和降解性能。研究结果表明,CPP/PLLA软骨组织工程支架复合材料具有高的孔隙率(90%)、良好的生物降解性能和物理力学性能,以及三维连通、微孔、网状微观结构,故该复合材料有希望成为软骨组织工程支架材料之一。     

显微组织三维重构技术在材料科学研究领域中的应用

材料显微组织三维重构与定量表征是材料科学与工程领域的焦点与核心之一。该方法可将材料的内部结构信息及其与性能之间的关系直观地呈现出来,对全面认识材料微观结构并建立材料组织与性能之间的定量关系具有重要作用。总结了国内外关于显微组织三维重构技术在材料研究领域中的应用,并阐述了各种方法,分析比较了各自的优缺点,寻求高精度材料微观组织三维重构方法,有利于促进材料微观组织形态由二维定性表征向三维定量表征的过渡。