[发明专利]一种模拟动态再结晶的多级元胞自动机方法

说明书

本发明公开了一种模拟动态再结晶的多级元胞自动机方法，该方法包括多个时间步，每个时间步的模拟过程包括以下步骤：(S1)将应变增量作用在母元胞空间，对母元胞空间进行全场多级晶粒拓扑变形模拟；(S2)计算母元胞空间中的平均位错密度以及每个元胞的位错密度；当平均位错密度小于临界位错密度ρ_cr时跳转至步骤(S1)，进行下一时间步的模拟；(S3)从母元胞空间中选取若干满足动态再结晶形核条件的元胞，并对其进行动态再结晶形核模拟；(S4)对母元胞空间中的晶粒长大过程进行模拟。本方法可以很好的反映实际的再结晶形核物理机制，并能更加真实、准确的反映DRX过程中晶粒拓扑变形过程。

技术领域

本发明涉及计算材料科学领域，具体涉及一种模拟动态再结晶的多级元胞自动机方法。

背景技术

动态再结晶(Dynamic recrystallization,DRX)作为金属微观结构演变的主要机制，被认为是在热塑性变形下晶粒细化的有效方法。DRX过程中产生的新晶粒和晶粒细化是影响热加工过程中载荷、微观结构及产品成形质量的重要因素。因此，深入研究DRX过程中的再结晶动力学和微观结构演变至关重要。

如今，以位错密度演化为线索的元胞自动机(cellular automaton,CA)方法在DRX模拟中的应用十分广泛。CA方法已成为金属成形过程中定量和显式地模拟DRX微观结构演变的强大工具，并取得了很多开创性的研究成果。

然而，CA模型中仍存在一些值得进一步深入研究和改进的地方。

(1)问题一：根据经典的再结晶形核理论，再结晶形核时潜在形核核心需要一定的时间才会形成有效晶核(即后续可以长大为DRX晶粒的晶核)，且由于变形不均匀现象及周围环境的影响，潜在形核核心不能100％成为有效晶核。此外，在实际的再结晶形核中潜在形核核心的尺寸很小，一般在纳米尺度。

然而，现有的CA模型尚且不能很好的反映这几点实际的再结晶形核物理机制，这将会影响后续模拟结果的准确性及科学性，并会影响CA模型后续与其它方法进一步耦合的效果。因此，需要对现有CA模型中的再结晶形核模块进行更新改进。

(2)问题二：在CA中模拟DRX行为时，如何更加真实、准确地反映DRX过程中未完成DRX的晶粒随着变形的增加沿着变形的方向被压扁，沿着垂直于压缩的方向被拉长，同时反映新生成DRX晶粒的等轴长大是一项复杂的任务。

在现有方法中，希望晶界在材料坐标系和元胞坐标系之间映射的过程中，元胞空间代表的晶粒面积能够保持不变，但在晶界映射的过程中不可避免的存在面积的损失，从而在一定程度上或多或少会影响模拟的准确性。此外，从希望晶粒拓扑映射能准确描述晶粒真实变形的角度，晶界映射的应变增量越小时，模拟过程跟真实晶粒的变形过程越接近，即有利于提高追踪晶粒拓扑变化的准确性。因此，在模拟时常常希望通过采用较小的应变增量来使模拟过程更加接近真实的变形过程，但现有CA模型中的元胞空间面积(即计算精度)会随着应变增量的减小而下降，即无法在保持计算精度的同时，贴近真实的变形过程。因此，为了解决这两个问题，需要开发出计算精度更高并能更加准确的描述晶粒拓扑变形的CA模型。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种模拟动态再结晶的多级元胞自动机方法，以实现在对动态再结晶过程的准确模拟。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种模拟动态再结晶的多级元胞自动机方法，其包括以下步骤：对母元胞空间进行初始化；确定时间步的步长、循环时间步数以及每个时间步的应变增量；模拟母元胞空间在每个时间步中的变化，每个时间步的模拟过程包括以下步骤：

(S1)将应变增量作用在母元胞空间，对母元胞空间进行全场多级晶粒拓扑变形模拟；