产品虚拟设计中的材料显微组织模型设计
作者：北京科技大学材料学院、河北工业大学材料科学与工程系－刘国权宋晓艳 张禹 于海波
0、引言 传统制造业中新材料或新产品的产生往往要经历反复尝试的过程，这种迂回的研制方式耗时耗材。如果通过计算机预先仿真设计出材料的组分或显微结构，则可能为材料提供性能预报，这无疑对材料开发、制备和应用起到明显加速作用。“虚拟制造技术”这一先进制造技术的诞生，明确指出了计算机仿真材料设计的重要地位和广阔前景。 目前，显微结构层次上的材料设计远落后于原子－电子尺度和宏观层次设计取得的进展, 尤其国内极少见到对材料进行显微结构层次模拟和设计的研究报道。然而，由于显微组织与性能之间具有直接对应关系，显微结构虚拟设计是材料虚拟制造技术中的必备环节，在材料研制中占有相当重要的地位，极有必要加强这方面的研究和尝试。 材料的计算机仿真设计可以归属产品虚拟设计和制造的研究领域，而产生显微组织的可视化计算机图形技术则是虚拟现实技术中的一种。本文即利用此技术设计一系列显微组织模型，初步探索显微结构层次上材料设计的新途径，并可望对材料及其制备工艺的优化起到一定预测和指导作用。 1、材料显微组织设计的三维计算机图形技术 Monte Carlo仿真技术是对材料显微组织进行可视化图像设计的一种有效手段。我们现已开发出二维和三维系统单、复相材料组织及其演变的Monte Carlo仿真算法[3,4]，尤其三维仿真算法，因其简便、灵活和高效的特点，已在国际上获得重视。 三维Monte Carlo仿真算法的构成分为以下几个部分: (1)将三维空间离散成大量微小间距的二维平面,每一平面再离散成大量正方形微元。每一微元赋值以代表其取向状态的随机数,晶界面微段存在于不同取向的微元之间。 (2)定义所取微元的邻居,作为再取向状态的选择范围和考察能量变化时取向组态的包容对象。 (3)逐一取二维平面并依次取每一平面上的微元作再取向尝试。新取向选为该微元邻居取向状态之一。晶界附近微元更换取向则导致晶界迁移，即晶粒长大。 (4)以微元取向组态能量变化为标准判断微元重新取向是否成功。当取向组态能量降低时,该微元实现重新取向;当能量升高时,该微元保持原取向状态;当能量不变时,该微元重新取向和保持原状态的概率均等。 (5)引入三维空间的周期性边界条件,模拟连续、完整的立体多晶材料。视仿真设计单、复相材料显微组织的需要建立初始三维微元阵列。对于单相组织，所有微元均为晶粒构成微元；对于复相组织，初始微元阵���由基体晶粒微元和一定数量、一定形状和尺寸、一定空间分布状态的**相微元构成，根据基体和**相组织演变相互制约的物理基础，修正微元更换取向的有效取向概率。 对于显微组织几何模型设计，除了Monte Carlo方法外，还可以利用一般计算机图形、图像处理技术进行仿真设计。 2、单、复相材料显微组织模型 2.1单相材料显微组织及其演变图1示出三维单相材料正常晶粒长大的显微组织在二维截面的形态及其演变过程。晶粒之间因晶体学取向不同而呈现不同衬度,衬度反差越大表明晶粒间取向差异越大。图下数字表示晶粒长大进行的时间。 100MCS 500MCS 900MCS 1100MCS 图1 三维单相材料正常晶粒长大的截面显微组织 图下数字表示晶粒长大进行时间, MCS为Monte Carlo仿真的时间单位。 对上述组织的定量分析表明，仿真的组织演变过程可以与真实过程建立确定对应关系，因而，能够利用仿真的组织演变定量预报实际的显微组织演变进程，以及实际生产中所用表征参量的动力学变化特征。 2.2复相材料显微组织及其演变 因**相性质不同，复相组织及其演变特征可能明显不同。图2示出含有不稳定**相粒子的三维复相材料显微组织及其演变过程。当材料加工处理时，如果温度过高或时间过长，粒子发生熔解和(或)粗化，很易导致粗大的尺寸不均的显微组织，这种现象在退火、时效等处理中常因工艺控制不当而发生。 图3则表示在一定条件下沿基体晶界析出**相粒子，如果在材料处理条件下粒子保持稳定，基体晶粒尺寸就可以得到有效控制，如此细小、均匀的复相组织必然能够满足工业应用上的高强度和良好韧性的性能要求。 t=100MCS t=200MCS t=600MCS 图2 含有不稳定**相粒子的复相显微组织及其演变 t=100MCS t=200MCS t=600MCS 图3 保持晶界析出**相粒子稳定性的复相显微组织及其演变 2.3复合材料显微组织 由于复合材料具有可设计性及结构、材料、工艺不可分性的特点，对显微组织、结构的设计和优化对于材料制备和开发尤为重要。考虑增强相的形状、尺寸、数量、分布等因素与基体有机组合，可以设计出满足一定使用要求的优化的复合材料显微结构。 图4示出长、短纤维、晶须和颗粒增强的金属基复合材料三维显微组织的截面形态。这些数字化的显微组织可作为与具体性能相联系的材料设计(如细观力学设计)的几何模型。 (a) (b) (c) (d) 图4不同增强相的金属基复合材料显微组织几何模型 (a)长纤维增强(b)短纤维增强(c)晶须增强(d)颗粒增强 3、总结 应用Monte Carlo仿真技术及一般计算机图形、图像处理技术设计了一系列材料显微组织。其中依据组织演变的物理基础进行动态演化的显微组织，可以模拟材料制备、处理过程中微观组织变化的真实过程，从而可用于实时预报材料组织、性能表征参量变化的动力学特征。考虑实际需要设计的优化的复合材料显微组织，可以用于材料力学设计的微观组织几何模型。