Multi-scale modeling in microstructure evolution of materials

Intelligent design and control of the microstructure to tailor properties of materials is the dream that materials scientists have been worked hard for many years. Formation of research area of computational materials science paves the way to realize the dream. Simulation of microstructure evolution is a chief branch of the computational materials science and has caused great attention from materials researchers. Multi-scale modeling gets popular just within 5- 6 years recently due to huge research works to try to shorten the distance between simulation and application. People have to command one or more classical simulation methods in order to do the multi-scale modeling so chief simulation methods will be discussed first and then more reviews in detail are given to the phase field simulation. The main part of the paper is carried out to introduce two key approaches to do the multi-scale modeling job. It is suggested that extension of the multiscale modeling is necessary to study the technologies to link microstructure simulation, processing simulation and property simulation each other as well as to build bridges between different simulation methods and between analytical models and numerical models.     

Multi-scale modeling in microstructure evolution of materials

1 IntroductionDevelopment of new materials depends on the try and error process for human beings in past long his-tory .It is dreamed to design and control materials intellectually . Computational materials science can bebelieved beginning at 1964 if alloy designis assumedto be the first successful attempt totailor properties ofmaterials quantitatively[1]. However , computational materials science has become a popular researchbranchjust within past ten years thanks to the intensive research ac…     

面向地下矿山的多尺度建模技术

矿山地下空间三维建模理论与技术对提高矿山的生产效率和安全性有极大的推动作用。其中,开展矿山地下空间的多尺度建模研究,可以为地下矿山提供一个多尺度的设计平台。本文以矿山开采过程的多阶段性为依据,初步探讨地下矿山多尺度建模的原理与方法,为开展地下矿山多尺度建模提供有效的途径。     

矿渣基胶凝材料充填试验及胶结体微观结构演化研究北大核心

采用矿粉-水泥复合胶凝材料作为胶结剂,细尾砂作为骨料,开展了不同浓度、砂灰比下充填流动度、泌水率、沉缩率及抗压强度试验。利用扫描电镜-能谱(SEM-EDS)、压汞(MIP)对特定养护龄期下充填体中水化产物种类、分布及孔结构变化进行了表征。结果表明:充填浓度的提高,料浆流动度、泌水率及沉缩率明显降低,而砂灰比对其影响相对较小。充填浓度66%~72%时,料浆流动度为16.1~27.1cm,满足充填泵送及自流输送流动度要求;充填浓度74%时,料浆流动度仅为12.25~13.40cm,且泌水率及沉缩率均较小,不适宜于输送。充填体抗压强度随充填浓度的提高而增加,随砂灰比的提高而下降。养护早期(3d),充填体强度普遍较低,但后期强度发展较快,尤其是28~60d仍有一定幅度的增长。矿粉在水泥碱环境作用下持续发生火山灰反应并生成大量水化硅酸钙(C-S-H)、钙矾石(AFt)等产物细化了充填体内部孔径,增加了体系密实程度是导致充填体强度稳定增长的重要原因。     

适于弱胶结软岩的新型冻结孔封孔材料性能及微结构研究

我国西部地区的弱胶结软岩,岩石强度低,遇水泥化,当采用全深冻结时,冻结壁解冻后时常出现下部冻结管串水,导致工作面涌水和淹井的安全事故。针对这些问题,本文研究适于这种地层的新型冻结孔封孔材料的工作性、强度以及受冻后的抗渗性,并从受冻后的材料的孔结构和SEM形貌来探讨其机理。结果表明：新型冻结孔封孔材料具有很好的流动性,且流动度损失小,浆体的保水性好,无泌水;其3,28 d的抗折、抗压强度都明显高于普通水泥浆,且经受-30 ℃的低温受冻28 d后的强度损失小;新型冻结孔封孔材料受冻后,开始出现渗水的水压以及渗水范围扩大时的水压要比普通水泥浆封孔材料提高1~2 MPa。微观试验表明：新型封孔材料与普通水泥浆封孔材料相比,总孔隙面积降低、中值孔径减小、孔隙率降低,容重和表观密度增加,混凝土结构密实。     

Kinetics of clusters of elementary damages in loaded materials: Probabilistic cellular automation modeling

A probabilistic cellular automation is used to model accumulation of elementary damages and evolution of their clustering arrangement. Kinetic characteristics of the dynamics of the cluster quantity and evolution of the time correlation functions for the cluster quantity and elementary damage quantity are studied. It is established that their behavior has some features that are possible to interpret as the precursors of transition of the system to the pre-failure stage of evolution. __________ Translated from Fiziko-Tekhnicheskie Problemy Razrabotki Poleznykh Iskopaemykh, No. 1, pp. 49–60, January–February, 2006.     

矿井火灾的场量模型构建及其可视化仿真

为真实再现矿井火灾发展的变化及时空影响,探讨了矿井火灾的场量建模技术与其可视化仿真。基于矿山复合场的内涵,提出了面向矿井火灾的场量表达。经矿井火灾场量的空间几何特性、属性分布特性、运行状态特性、矢量方向特性及时序特性的建模分析,给出了适用于火灾场量的一体化模型结构,进而建立了分别用于描述井巷工程、通风网路及火灾烟流的空间几何场量模型、物理属性场量模型及气象参数场量模型。通过生成火灾场量的模型类与时序流程,实现了矿井火灾场烟流发展变化的三维可视化仿真。最后结合国内某矿山实际,验证了矿井火灾场量模型的可行性。     

Cu及Mn元素对高铁含量铝硅合金显微组织和力学性能的影响

为了实现高铁含量的铝硅合金的有效回收,本文对Cu和Mn复合变质处理后的高铁含量铝硅合金进行扫描电子显微镜观察、X射线能谱仪以及X射线衍射分析,研究了Cu和Mn对高铁含量铝硅合金显微组织和力学性能的影响。结果表明：在铝硅合金中加入Cu和Mn后,再结合热处理,合金中铁相得到较大改善,合金抗拉强度得到较大提高(193.1MPa),优于未含铁合金性能(150MPa)。     

基于多尺度监测的高陡边坡安全性多因素综合评判研究

基于先进的传感器感知技术,针对连云港港主体港区东疏港高速公路两侧形成的岩质高陡边坡工程实例,构建了多尺度安全监测系统.并综合考虑边坡安全性的多因素影响,在模糊数学的基础之上建立了高陡边坡的安全性综合评判模型.结果表明该方法可以全面的反映出具有不确定性的各个影响因素对边坡安全性的影响程度,并合理得到边坡安全性等级,对工程决策具有重要的意义.     

电子经纬仪在煤层相似材料模拟实验中的应用

探讨了电子经纬仪在急倾斜煤层相似材料模拟实验的观测方法、观测原理。通过对观测数据的分析,表明电子经纬仪观测结果的精度满足实验的要求。电子经纬仪操作简单、精度高,因而在相似材料模拟实验是一种行之有效的观测方法。     

弱胶结砂岩遇水软化过程细观结构演化及断口形貌分析

对西部鄂尔多斯红庆河矿区的弱胶结砂岩采用饱水实验、SEM扫描电镜、QEMSCAN扫描电镜和力学实验等试验手段,分析其软化过程细观结构演化及其细观断裂形貌和断裂机理。研究表明:弱胶结砂岩的成岩特性决定了其遇水软化、崩解的特性与其矿物组成和结构特征密切相关;证实了弱胶结砂岩遇水软化过程中细观结构破坏的主要方式为胶结物质的破坏,且发生破断的位置为物颗粒与颗粒的接触界面或者颗粒与胶结物质之间界面;弱胶结砂岩的宏观力学行为主要由颗粒间接触决定,当边界荷载发生变化时,砂岩的最终断口发生在黏土胶结物上及其与矿物颗粒的交界处,少数发生在矿物颗粒上,颗粒体系内部结构的变化总体上可以分为颗粒破碎、颗粒或颗粒簇脱离母体结构、沿颗粒裂纹扩展及微裂隙呈弥散分布、胶结物质破坏等四大类;胶结物质力学性质是其破坏形式的关键因素,为进一步研究弱胶结砂岩变形破坏机理奠定基础。     

分级式冲击磨制备超细云母微粉的工艺研究

为了得到高纯、超细云母粉体,本实验采用分级式冲击磨在干法状态下制备超细云母微粉。考察了在改变分级机转速、引风机流量工艺参数时云母微粉的粒度和产量变化情况。结果表明:云母微粉的100目筛上量主要受分级机转速的影响,而云母微粉的产量及粒度分布则主要受引风机流量的影响,并通过优化分级机和引风机工作参数可以实现对云母产量和出料粒度的控制,满足不同利用领域的要求,解决传统加助磨剂和湿法处理还存在的二次处理问题。     

重型刮板输送机动力建模与仿真

研究了矿用重型刮板输送机的实际工况和受力状态,在考虑链条的非线性、输送机中部槽的弹性和间隙、链轮与链条啮合特性等因素的基础上,建立了刮板输送机非线性、时变性、动力耦合的有限元模型;构造了输送机线路的形态函数,实现了计算机自动建模;通过实例对输送机启动、自由停机、异常载荷、卡链、链条节距差和链轮驱动多边形效应等工况下的动力学问题进行了数字仿真.结果表明：控制启动方式有利于降低输送机的动张力,启动前链条静张力的分布对启动特性影响较大,链条节距误差对头尾驱动链轮的功率分配有较大的影响,卡链位置对冲击载荷影响很大,链轮的齿数越少,多边形效应越明显.     

矿用高水材料的组分对其性能与微结构的影响

通过实验综合研究高水速凝材料各组分对其工作性能和固结体抗压强度的影响,并利用XRD与SEM研究了材料的微结构.研究证明:硫铝酸盐熟料浆(A组分)的悬浮性不如石膏与石灰(B组分)混合浆,所需悬浮剂也更多;B组分中石膏掺量在80%～85%范围内,高水速凝材料各龄期强度稳定在较高的平台.缓凝剂的加量为1.8%时A组分的凝结时间可达24h;速凝剂加量为A组分的0.050%～0.300%时,试块各龄期的同龄期强度比较稳定;水灰比为3.0时,掺入0.100%的速凝剂,试块7d的强度最高,达3.19MPa.高水材料由柱状钙矾石网络状连接而成,且含水量越高,钙矾石晶体越细小.     

成分配比对稀土钨电极材料组织及力学性能影响

通过固液掺杂、等静压压制、中频烧结的方法,制备了不同的氧化镧、氧化钇、氧化锆三元掺杂成分比例的钨电极材料烧结棒材,探究了不同成分配比对样品显微组织、第二相粒子分布以及宏观力学性能的影响。结果表明,氧化镧、氧化钇、氧化锆三元复合添加能够有效改善第二相粒子在钨基体中的分布形态,降低第二相在晶界的过度富集,提高钨电极材料的综合力学性能。并且当添加成分镧、钇、锆质量比为3:1:1时,材料具有最好的综合力学性能,致密度可达96.04%,显微硬度可达549.37HV0.3,抗压强度可达3785MPa,原因是此配比下第二相粒子最为细小均匀,弥散程度最高,对基体晶粒的细化作用最好,该配比下钨基体平均晶粒尺寸达到10.3μm。     

Al基金属相变储能材料的研究与应用进展

对Al基金属相变储能材料在国内外的研究状况、液态腐蚀性、与容器材料的相容性和应用等方面作了综合介绍.     

锤式破碎机可重用的建模仿真优化方法研究

为了解决锤式破碎机的设计分析问题,同时在满足性能要求的前提下得到关键件的优化尺寸,提出了以分析元和分析树为支撑的构件化分析方法。在开发建模仿真优化算法的软件框架基础上,充分考虑多学科协同优化和刚柔耦合模型特点,对典型产品PCM400、PCM250、PCM160型锤式破碎机进行了一体化的建模仿真,并对轴进行了优化。研究结果表明,该方法有效可行,对工程实践具有重要的指导作用。     

焊接速度对6082Al/T2Cu异种材料搅拌摩擦焊接头成形及性能的影响

为研究焊接速度对3 mm厚6082Al/T2Cu异种材料搅拌摩擦焊接头成形及性能的影响.对焊接试样进行了不同焊接速度工艺参数的搅拌摩擦焊接实验,并对焊接接头采用光学金相显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度计和力学实验机进行了微观组织分析和力学性能测试.结果表明,采用主轴转速1500 r/min、焊接速度100 mm/min...