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  • 本发明属于计算机软件领域,特别涉及一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法。背景技术:材料的结晶一般分为晶体成核和晶体生长两个过程,在晶体生长的过程中相邻的晶体可能发生碰撞而形成晶界,从而使得晶体的生长...

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    本发明属于计算机软件领域,特别涉及一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法。

    背景技术:

    材料的结晶一般分为晶体成核和晶体生长两个过程,在晶体生长的过程中相邻的晶体可能发生碰撞而形成晶界,从而使得晶体的生长局部停止。晶体的尺寸、形态分布、晶界的位置以及结晶度是影响结晶型材料性能的关键因素,也是计算机数值模拟软件需要模拟计算的重要内容。结晶的计算机数值模拟技术是:基于一定的科学原理在计算机上模拟仿真晶体的形成过程的一门技术。计算区域的选择对模拟软件的模拟精度、计算速度和以及占用内存的数量影响巨大。晶体数值模拟的计算区域从空间上讲,主要有二维和三维两种。在三维空间中进行模拟的优点是:晶体的成核和生长在三维空间模拟,能够综合考虑多种因素(比如:三维的应力作用、非均匀温度、压力等)对结晶过程的影响,计算精度高;缺点是:三维空间的几何信息量大,计算软件需要的运行内存空间大,计算速度慢。而在二维空间进行的模拟一般需要对三维空间进行一定的几何简化。二维模拟的优点是:计算速度快,所需的计算机内存小;缺点是:晶体的成核和生长都只能在二维空间进行,能够模拟的影响因素少,计算精度低。在二维和三维的数值模拟方案中存在求解速度和计算精度的矛盾。

    为了解决以上存在的问题,人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

    技术实现要素:

    本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种求解速度快、需要计算机内存小并且计算精度高的材料结晶过程的计算机数值模拟方法。

    为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法,其中,结晶过程分为晶体成核和晶体生长两个阶段,在模拟晶体成核时,晶核的位置在三维区域内模拟,晶体的生长和碰撞过程在三维模拟区域内特定的截面或者截线上模拟。

    基于上述,在三维模拟区域内特定的截面模拟晶体的生长和碰撞过程为:选择三维模拟区域V内特定的一个或n个截面Ai,计算所有晶体和特定截面Ai相交的图像;计算与某一截面Ai相交的晶体在这个截面内不同方向的生长速度,并以该速度模拟该晶体在这个截面内的生长过程,在所选定的特定截面Ai内模拟相邻晶体的碰撞过程;在计算机模拟的每个时间步长内,计算截面Ai内晶体的面密度,运用德莱赛定律,将晶体的某个面密度或者几个面密度的统计平均值与晶体在三维空间的体密度等价,获得三维空间的晶体相对结晶度。

    基于上述,在三维模拟区域内特定的截线上模拟晶体的生长和碰撞过程为:选择三维模拟区域V内特定的一个或n个截线Li,计算所有晶体和这些特定截线Li的相交线;计算与某一截线Li相交的晶体在这个截线Li内不同方向的生长速度,并模拟该晶体沿该截线Li的生长过程;在所选定的特定截线Li上模拟相邻晶体的碰撞过程;在计算机模拟的每个时间步长内,计算截线Li上的晶体的线密度,运用罗西瓦尔定律,将晶体的某个线密度或者几个线密度的统计平均值与晶体的体密度等价,获得三维空间中晶体的相对结晶度。

    基于上述,在模拟晶体的生长和碰撞过程中,晶体在截面Ai或截线Li上的形貌可以输出保存。

    本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步,具体的说,本发明采用的方法是在三维空间中模拟晶体的成核点位置,在三维模拟空间内特定的截面或者截线上进行晶体的生长和碰撞过程的模拟,与二维经典模拟算法以及三维经典算法相比,克服了二维和三维的数值模拟方案中存在的求解速度和计算精度的矛盾。

    附图说明

    图1应用本发明方法输出的晶体形貌图。

    图2应用经典三维模拟方法输出的晶体形貌图。

    具体实施方式

    下面通过具体实施方式,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

    一种材料结晶过程的计算机数值模拟方法,其中,结晶过程分为晶体成核和晶体生长两个阶段,在模拟晶体成核时,晶核的位置在三维区域内模拟,晶体的生长和碰撞过程在三维模拟区域内特定的截面或者截线上模拟。

    在三维模拟区域内特定的截面模拟晶体的生长和碰撞过程为:

    选择三维模拟区域V内特定的一个或n个截面Ai,计算所有晶体和特定截面Ai相交的图像;计算与某一截面Ai相交的晶体在这个截面内不同方向的生长速度,并以该速度模拟该晶体在这个截面内的生长过程,在所选定的特定截面Ai内模拟相邻晶体的碰撞过程;计算截面Ai内晶体的面密度,运用德莱赛定律,将晶体的某个面密度或者几个面密度的统计平均值与晶体在三维空间的体密度等价,获得三维空间的晶体相对结晶度。

    在三维模拟区域内特定的截线上模拟晶体的生长和碰撞过程为:

    选择三维模拟区域V内特定的一个或n个截线Li,计算所有晶体和这些特定截线Li的相交线;计算与某一截线Li相交的晶体在这个截线Li内不同方向的生长速度,并模拟该晶体沿该截线Li的生长过程;在所选定的特定截线Li上模拟相邻晶体的碰撞过程;在每个时间步长内计算截线Li上的晶体的线密度,运用罗西瓦尔定律,将晶体的某个线密度或者几个线密度的统计平均值与晶体的体密度等价,获得三维空间中晶体的相对结晶度。

    在具体的计算模拟过程中,以100*100*100个节点的三维空间为例,模拟空间的节点个数为106个,而其中一个正交截面上的节点数为100*100=104个,一个正交截线上的节点个数为102个,采用本发明方法,在模拟晶体生长和碰撞时,计算软件中仅需要保留与截面Ai或截线Li相关的几何信息,相对于三维空间需要存贮的节点信息少,节省了计算机的内存空间,而且,由于仅处理相邻晶体在截面Ai内或截线Li上的碰撞过程,处理的信息量少,使得计算机的模拟时间减少,提升了求解速度。

    另外,在模拟晶体的生长和碰撞过程中,晶体在截面Ai或截线Li上的形貌可以通过计算机软件输出保存。如图1和图2所示是在同一个时间步长,应用本发明的方法和经典三维模拟方法输出的晶体形貌图。从图中可以看出,两者的相对结晶度相同,应用本发明的方法输出的晶体形貌图与应用经典三维模拟方法输出的晶体形貌图的一个截面图相似。

    对比算例:

    采用本发明中的在三维模拟区域内特定的截面模拟晶体的生长和碰撞过程,其中,先结合蒙特卡洛方法生成晶核位置,模拟过程中,采用像素法模拟晶体碰撞过程,并采用公式N(T)=N0exp[ψΔT]计算晶核数量,公式计算晶体生长速度;三维空间采用200*200*200个节点,截面采用200*200个节点,参数N0=17.4×106/m3,ψ=0.155K-1,G0=2.1×1010μm/s,U*/R=755K,Kg=534858K2,Tm=467K,T∞=236K;模拟400K温度的等温结晶过程,时间步长为60s;用于运行模拟的计算机配置为:CPU Intel Core I7-4790,8核,主频3.6GHz,内存8G,软件系统:Windows10(64位)专业版。

    将应用本发明的方法和经典三维模拟的方法对比,分别运行5次,得到相对结晶度的平均值以及运行软件消耗的平均CPU时间。各步长的对比结果见表1和表2。从表中可以看出应用本发明方法计算得到的相对结晶度结果与三维模拟的结果非常接近,而应用本发明方法模拟消耗的CPU计算时间比经典三维的模拟方法少2-5个数量级。

    表1相对结晶度模拟结果对比

    表2相对模拟计算速度对比

    最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制;尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换;而不脱离本发明技术方案的精神,其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

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  • 论文-探究晶体结晶

    2018-07-24 13:41:19
    顾名思义,蒸发结晶法通过蒸发溶液中的溶剂,只令溶质保留,从而得到结晶。    2.液态转固态(冷却热饱和法) 冷却热饱和法首先将溶剂加热,再将其冷却并达到过饱和状态,使得超出饱和部分的晶体结晶。 ...
    •  晶体是什么

    晶体(crystal)是由原子、分子或离子有序排列组成的固体。晶体都有组成框架,这些框架向三维方向延伸。由于框架内部的“单元”有序而且重复排列,所以晶体有标致准确的外形。这在大型晶体上体现得尤为明显。许多大型晶体有平整的面和分明的角。

     

    日常生活中我们经常见到晶体,比如食盐、白糖、雪,还有许多宝石,等等。

     

    有许多物质虽然看起来像晶体,实际上不是,它们是多晶体(polycrystal)多晶体由许多小晶体杂乱无章地排列而成。常见的多晶体有冰、许多金属、陶瓷、玻璃等。

     

    • 晶体如何结晶

     

    晶体是在物态转变时形成的,气态、液态转变成固相时形成晶体,固态之间也可以直接产生转变。

     

    1. 液态转固态(蒸发结晶法)

    顾名思义,蒸发结晶法通过蒸发溶液中的溶剂,只令溶质保留,从而得到结晶。

        

         2.液态转固态(冷却热饱和法)

    冷却热饱和法首先将溶剂加热,再将其冷却并达到过饱和状态,使得超出饱和部分的晶体结晶。

     

     

          3. 气态转固态(升华法)

    升华法首先将晶体加热升华为气态,再降低温度,使其达到过饱和状态,而后经过冷凝生长成为晶体。

     

    • 实验

     

    目的:获取结晶

    方法:冷却热饱和法

    步骤:

    1. 按5:1的比例往奶锅中加入白糖和自来水,然后中火加热并搅拌内容物,直到水煮开且无法看见糖。此时的溶液清澈、呈淡黄褐色、微稠。
    2. 将溶液倒入一个玻璃杯,从杯口伸入一根竹签并用夹子固定(签头不要触到瓶底)。将玻璃杯在室温下静置直到玻璃杯与溶液都达到室温。
    3. 将玻璃杯放入冰箱上层静置。
    4. 只需静静等待二至三天,因为结晶的速度非常快。

     

    • 注意事项

     

    1. 往水中加入糖的数量只能多(多于5:1)不能少,不然无法结晶。这个实验我做了两次,第一次实验失败,原因就在于加入糖不够多,因此在冰箱中放置数天也无法结晶。
    2. 竹签不能触到瓶底。

     

    •  结果

     

       冰箱中静置二至三天后,杯壁上几乎结满了晶体。将竹签抽出,竹签浸入溶液的部分被结晶覆盖。结晶形似冰霜,晶莹剔透。有的部分看得出分明的细小棱角,有的部分看上去光滑,摸起来微微粗糙。

     

     

    • 感想

    通过这次实验,我第一次真切地体会了自然的精致与细微,不同于以往所体会到的。这是我第一次真切地明白,世界上居然存在虽然如此细小,但结构精巧、别具一格的物质。它们会生长,会变化,会“消失”得无影无踪,似乎具有独特的生命。日后,我可以对它们多加了解、做更多有关的实验,探寻它们的美妙。在我的努力下,我一定会成功。

     

     

     

    图片:

    室温下静置三十分钟后

    放入
    冰箱数小时后

     

      

    放入冰箱第二天

     

    放入冰箱第三天

     

     

    放入冰箱第五天

     

    参考资料:

    www.thoughtco.com

     -What Is a Crystal? (https://www.thoughtco.com/what-is-a-crystal-607656)

     -A Guide to Growing Great Crystals (https://www.thoughtco.com/how-to-grow-great-crystals-602157)

     

    www.baidu.com

     -晶体-百度百科 (https://baike.baidu.com/item/%E6%99%B6%E4%BD%93/944670?fr=aladdin

     

    完成于2017年8月22日

     

     

     

     

     

     

     

    Article about crystallization

     

    1. What are crystals?

     

    Crystals are solids that are formed by orderly-arranged atoms, molecules or ions. Crystals are formed by lattices which extend out in three-dimensions. For the units inside the lattices are arranged orderly and repeatedly, many crystals have exquisite and well-defined shape. This is especially obvious on large-sized crystals. Many of them have flat faces and well-defined angles.

     

    We usually meet crystals in our daily lives, such as table salt, sugar, snow, many gemstones etc. Nevertheless, some solid materials that look like crystals are not actually crystals. They are polycrystals. They are formed by many little crystals but without order. Common polycrystals are ice, many metal samples, ceramics and glass.

     

        2. What is the process of crystallization?

     

    Crystals are formed when phase changes, especially when gas or liquid phase change into solid phase. Substance of solid phase can turn into crystal too (related to isotopes).

     

            a) Liquid phase to solid phase (evaporate method)

    As the term suggests, the evaporate method achieves the crystal by evaporating over-saturated solution.

     

            b) Liquid phase to solid phase (cooling over-saturated solution method)

    This method needs to heat over-saturated solution. When it is boiled, stop heating and let it cool down. It can also be put in the fridge. Before long, the crystallizing procedure will begin.

     

            c) Gas phase to solid phase (sublimation method)

    This method is a little like method b). This method sublimates crystals into gas phase and then cools the gas down. The gas eventually condensates into crystals.

     

        3. My experiment

     

    Goal: Achieve crystals

    Method: cooling over-saturated solution

    Steps:

     

           a) Add sugar and water (5 to 1 ratio)to a milk pot. Heat it (medium heat) and keep mixing the solution until water is boiled and sugar cannot be seen. The solution at this moment looks clear, a little thick and slightly biscuits.

     

           b) Pour the boiled solution into a glass, soak a thin wooden stick in it. Fix it with clips and do not let the end of the stick attach to the bottom of the glass. Cool the glass and the solution to room temperature.

     

            c) Place the glass on the upper layer of the fridge.

     

            d) The waiting time will be 2 to 3 days. The crystallization procedure is quite fast.

     

        4. Kind reminder

     

          a) Sugar which is added into the water cannot be less than 5 to 1 ratio, or the crystallization cannot succeed. I did this experiment two times and failed the first time because I did not add enough sugar into the water.

     

            b) The end of the stick must not attach to the bottom of the glass.

     

        5. Results

     

    After 2 to 3 days in the fridge, the glass’s walls are nearly full of crystals. Pull out the stick and I see the part of the stick which soaks into the solution is covered by crystals (a bit like a popsicle). The crystals look like anomalous ice, transparent, glisten under the light. Some are a clear vision of small edges and angles and some look like a smooth surface but slightly rough when touching.

     

       6. My thoughts

     

    Through this experiment, I experienced the exquisite of nature for the first time, different from the other phenomena I experienced before. This is the first time I see these substances with my own eyes. Although these substances are tiny, they are well-structured and delicated-created. They can grow, change and disappear. In the future, I can learn more about them and do more relevant experiments, seek for their beauty. With my effort, I will succeed.

     

    Images:


    Thirty minutes under room temperature

    Hours after putting into the fridge

    The second hour after putting into the fridge

    The third day after putting into the fridge

     

    The fifth day after putting into the fridge

    Reference materials

    www.thoughtco .com

     -What Is a Crystal? (https://www.thoughtco.com/what-is-a-crystal-607656)

     -A Guide to Growing Great Crystals (https://www.thoughtco.com/how-to-grow-great-crystals-602157)

     

    www.baidu.com

     -晶体-百度百科 (https://baike.baidu.com/item/%E6%99%B6%E4%BD%93/944670?fr=aladdin

     

    Completed at 22nd August, 2017

     
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    2.1.1 纯金属的结晶

    纯金属结晶的条件

    纯铜冷却曲线
    过冷度:理论结晶温度与开始结晶温度只差
    ΔT=T0Tn\Delta T=T_0-T_n
    冷却速度越大,开始结晶温度越低,过冷度越大。
    纯金属结晶是等温过程。
    液体金属结晶必须要过冷。

    2.纯金属的结晶过程

    形核+长大
    晶核的形成
    自发形核
    非自发形核:杂质的存在,促进晶核形成
    两种形核同时存在,但非自发形核更重要,优先、主导
    晶体的长大
    平面长大:过冷度较小,较纯金属以其表面向前平行推移
    树枝状长大:过坑度较大,存在杂质时。原因:晶体尖角处散热较快。
    实际金属结晶过程一般都以树枝状长大的方式。

    2.1.2同素异构转变

    金属在固态下随温度的转变,由一种晶格转变为另一种晶格的现象。
    同素异构晶体。(例如 δ-Fe、γ-Fe、α-Fe)
    同素异构转变与结晶相似,被称为二次结晶、重结晶,也有过冷和放出潜热。且需要更大的过冷度

    2.1.3 铸锭的结构

    1.铸锭结构
    细等轴晶区、柱状晶区、粗等轴晶区(由外到内)
    2.晶粒形状的影响因素
    柱状晶:
    对于熔点高、杂质多的金属,不希望生成柱状晶(如铁镍)
    对于熔点低、不易熔杂质。塑性好的金属,则希望得到柱状晶结构。
    柱状晶的性能具有明显的方向性,沿柱状晶长轴方向的强度较高。
    促进柱状晶生成:金属加热温度高、冷却速度大、铸造温度高、浇注速度大,结晶时单向散热。
    等轴晶:
    性能均匀、无方向性,是一般金属所要求的结构。
    促进等轴晶:铸造温度低,冷却速度小等,有利于截面温度的均匀性;机械振动、电磁搅拌
    3.铸锭的缺陷
    缩孔、疏松、气孔

    2.1.4 结晶理论的工程应用

    1.细化铸态金属晶粒

    金属的晶粒越小,强度、韧性和塑性越好。晶粒细化是提高金属力学性能的重要途径之一。称为细晶强化
    细化晶粒的措施:
    a.增大晶粒过冷度(提高形核率):
    增大过冷度:采用冷却能力强的模子(金属铸模强于砂型铸模)
    形核率随过冷度增大而增大,到一定值后又下降
    b.变质处理:添加异质合金
    c.振动:破碎生长中的树枝状晶体,形成更多晶核
    d.电磁搅拌:同上

    2.定向结晶

    获得柱状晶结构

    3.单晶的制取

    基本要求:结晶时只存在一个晶核
    尖端形核法、垂直提拉法

    2.2 合金的结晶

    相图:表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的简明示意图,也称平衡图或状态图
    平衡:合金系中参与相变过程的各相的组成成分和质量分数不再变化。

    2.2.1 二元合金的结晶

    1.匀晶反应
    典型的Cu-Ni相图:
    在这里插入图片描述
    还有Fe-Cr、Au-Ag也是匀晶反应
    相图阅读方法:从横轴上取一点做垂线,与相图交线表示该成分在某一质量分数下随温度的相变过程。
    匀晶结晶的特点:
    1.也包括形核、长大,但固溶体更趋于树枝状长大。
    2.是变温结晶过程
    3.在某一温度下,两相成分是确定的。沿某一温度作水平线,与液相线和固相线的交点在成分轴上的投影点即为L相和α相的成分。
    4.在两相区,温度一定时,两相的质量比是一定的。
    杠杆定律:只适用于两相区。
    5.固溶体结晶时成分是变化的,缓慢冷却可使原子扩散能充分进行。而冷却过快则形成不均匀的固溶体,造成晶粒内化学成分分布不均,成为枝晶偏析。
    消除方法:加热到高温再长时间保温。(扩散退火)
    2.发生共晶反应的合金的结晶
    Pb-Sn合金
    Ldαc+βeL_d\Longleftrightarrow \alpha_c+\beta_e 条件是恒温(共晶反应:液相析出两种固体相)
    在这里插入图片描述
    d为共晶点,在此成分此温度共同结晶出两种晶体,cde线为共晶反应线,成分在ce之间的合金平衡结晶时都会发生共晶反应。
    (1)合金1的平衡结晶过程
    在这里插入图片描述

    1-2:匀晶反应,液相结晶生成α,到2温度合金完全结晶为α固溶体
    2-3:α相不变
    3-4:由于Sn的溶解度下降(沿cf),从α中析出β2\beta_2,直到室温
    最终的合金室温组织由α和β2\beta_2组成,即为组织组成物:合金组织中具有确定本质、一定形成机制的特殊形态的组成部分
    组成相:
    单相α和单相β2\beta_2
    (2)合金2的结晶过程(过共晶点)
    在这里插入图片描述

    合金2为共晶合金
    到1时发生共晶反应(恒温),经一定时间反应结束,全部转变为共晶体α+β,成分分别对应c点和e点
    从共晶温度到室温,α、β均发生二次结晶,α析出β2\beta_2,β析出α2\alpha_2,两相成分从c-f,e-g,由于二次结晶与原来的相结合在一起,因此不改变共晶体形态和成分。最终组成相为:α、β
    (3)合金3的结晶过程
    在这里插入图片描述

    合金3为亚共晶合金
    从1开始匀晶反应生成α,α沿a-c,液相沿a-d,温度2点时由液相和初生α组成,到2开始共晶反应(初生α不变),直到液相消失,此时成分为αc+(αc+βe)\alpha_c+(\alpha_c+\beta_e),冷却到室温的过程,α二次结晶析出β2\beta_2
    室温合金组织为:α+β2\beta_2+(α+β)
    (4)合金4的结晶过程
    过共晶合金
    在这里插入图片描述
    3.发生包晶反应的合金的结晶
    αc+Ldβe\alpha_c+L_d\Longleftrightarrow\beta_e (恒温)
    Pt-Ag、Ag-Sn、Sn-Sb合金
    两组元在液态下完全互溶,在固态下有限互溶
    在这里插入图片描述
    P点为包晶点,P点温度时包晶反应生成的β相包围而形成。包晶反应完成时液相和α正好完全耗尽,在冷却到室温的过程中,β相再析出α2\alpha_2。最后室温组织为:β+α2\alpha_2
    如果结晶过程冷速较快,则β相易发生包晶偏析,可通过扩散退火来消除。
    4.发生共析反应的合金的结晶
    γdαc+βe\gamma_d\Longleftrightarrow\alpha_c+\beta_e(恒温)
    在这里插入图片描述
    共析反应在固态下进行,因此共析产物比共晶产物要细密得多
    5.含有稳定化合物的合金的结晶
    分析这类相图,把稳定化合物看成独立的组元,把整个相图分割成几个简单相图。

    2.2.2 合金的性能与相图的关系

    合金的性能取决于成分和组织,相图可以反映不同成分的合金在室温时的平衡组织,因此性能和相图存在一定对应关系。
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    固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关,溶质的溶入量越多,晶格畸变越大,则合金的额硬度、强度越高,电阻越大,当溶质的原子分数约为50%时,达到极限,再增加就会降低。
    工艺性能与相图:
    纯组元和共晶成分的合金流动性最好,缩孔集中,铸造性好
    相图中液相线与固相线之间的距离越小,液体合金结晶的温度范围越窄,不易出现枝晶偏析和分散缩孔,因此铸造合金常选共晶或接近共晶的成分。

    2.2.3 铁碳合金的结晶

    主要有碳钢和铸铁 (Q235是碳钢)

    1.铁碳相图

    Fe3CFe_3C的碳质量分数为6.69%,碳质量分数更大时合金脆性过大,没有使用价值,因此不作讨论。
    在这里插入图片描述
    Fe-Fe3CFe_3C相图有三个基本相图构成:包晶相图、共晶相图、共析相图
    铁碳合金的组元
    Fe 工业纯铁的力学性能:强度低、硬度低、塑性好
    Fe3CFe_3C 渗碳体:硬而脆
    铁碳合金中的相
    液相L
    δ相 高温铁素体,体心立方
    α相 铁素体 F或α表示,强度低、硬度低、塑性好,碳的固溶度最小(在铁碳相图最左边)
    γ相奥氏体 A或γ表示,是碳的间隙固溶体,面心立方。强度较低、硬度不高,易于塑性变形
    Fe3CFe_3C 有各种形态,对铁碳合金性能影响很大
    莱氏体:Le 共晶反应后奥氏体与渗碳体的共晶混合物,其中的渗碳体成为共晶渗碳体。莱氏体是块状或粒状奥氏体分布在渗碳体基体上
    珠光体:P 共析反应后铁素体与渗碳体的共析混合物,呈层片状。珠光体强度较高,塑性、韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间
    二次渗碳体:沿奥氏体固溶线(ES线又叫AcmA_{cm}线)析出的渗碳体称为二次渗碳体
    三次渗碳体:沿铁素体的固溶线(PQ)析出的渗碳体称为三次渗碳体。数量少可忽略。

    2.典型铁碳合金的平衡结晶过程

    按照铁碳相图,铁碳合金可分为三类(碳含量):
    工业纯铁(\leq 0.0218%)
    钢((0.0218%,2.11%]):
    亚共析钢(0.0218%,0.77%)、共析钢(=0.77%)、过共析钢(0.77%,2.11]
    白口铸铁(2.11%,6.69%):
    亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁(4.3%)、过共晶白口铸铁

    工业纯铁
    L——L+δ——δ——δ+A——A——A+F——F——F+三次渗碳体(可忽略) 没参与包晶反应
    共析钢(过共析点S)
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    L——L+A——A——(共析结束)P(铁素体和渗碳体)
    珠光体P呈片状
    亚共析钢
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    L——L+δ——(包晶反应后)L+A——A——A+F——A+F+P(共析反应中)——F+P
    珠光体呈片状,F呈白色网状包围在P周围
    过共析钢
    在这里插入图片描述
    L——L+A——A——A+二次Fe3CFe_3C——A+二次Fe3CFe_3C+P——P+Fe3CFe_3C
    (共析反应生成的铁素体和渗碳体结合就是珠光体……)
    共晶白口铸铁
    在这里插入图片描述
    L——L+Le(A+渗碳体)——Le(中间有多种成分变化)——Le’
    Le是高温莱氏体(A+Fe3CFe_3C+(二次Fe3CFe_3C)+(P))
    Le’是低温莱氏体(P+Fe3CFe_3C+二次Fe3CFe_3C
    最终组成相为 低温莱氏体
    亚共晶白口铸铁
    Le’+二次渗碳体
    过共晶白口铸铁
    Le’+一次渗碳体

    3.铁碳合金的成分-组织-性能

    在这里插入图片描述
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    强度最高值:0.9%碳,略高于共析点(0.77%),之后二次渗碳体在晶界结网,降低强度
    硬度随碳含量增加一直增加
    塑性全部由铁素体提供,因此随渗碳体含量增加而降低

    4.铁碳相图的工程应用

    建筑结构、型钢 塑性、韧性好 碳质量分数低的钢材
    机械零件 强度、塑性、韧性都较好 碳质量分数始终的中碳钢
    工具 硬度高、耐磨性好 碳质量分数高的钢种

    铸铁生产:共晶成分附近 (凝固温度区间最小,流动性好,缩孔集中)
    锻造或轧制:奥氏体(强度较低,塑性较好)

    铁碳相图的应用注意事项:
    1.只反映铁碳二元合金,如含有其他元素则相图不一致
    2.反映平衡条件下(温度变化缓慢)的相变,若冷却或加热速度快,则其组织转变不能再用相图分析。

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    本文以CuZr合金为例介绍常见合金的合金化过程,包括融化、固溶、结晶等过程。
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    主要的模拟流程有以下几部分:
    1. 建模
    使用lammps进行合金模拟,有多种建模方式,比较常见的是替换原子法。
    替换原子法是指先生成一种合金元素,然后以一定的比例替换为其他合金元素,这种方法在之前文章中已有详细介绍。
    当合金元素较多,在进行原子替换时需要非常仔细的计算合金原子比例,并且在替换过程中得到的数量并不完全精确。
    本文介绍另外一种合金建模方法,可以精确的控制合金元素的数量,达到完美的合金元素比例。
    建模原理:根据合金比例确定合金原子数量,在box内按原子数量生成相应的合金元素块。
    以CuZr合金为例,根据合金的比例确定Cu和Zr原子的数量,分别使用lattice、region、create_atoms命令创建Cu、Zr金属块。
    2.合金化过程
    建模完成后,先进行能量最小化防止原子重叠。
    进行温度初始化使原子获得初始速度。
    然后进行升温融化并保温一定时间,使各金属块原子在高温下充分扩散。
    冷却结晶得到需要的合金组织。

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