第2章 基于元胞自动机的铝铸轧微观数值模拟

2.1 概述

在铝双辊铸轧过程中，材料凝固和成形微观组织取决于铸轧工艺参数的控制，而微观组织的不同又对其使用性能产生很大影响，过去的组织优化研究是对不同条件下制备的试样进行金相实验，这样不仅要浪费大量的人力、物力、财力，而且有一定的盲目性。而微观组织的数值模拟在这方面有很大的优势，利用计算机在晶粒尺度上模拟铝带微观组织的形成过程，做小量的实验就可以预测铝带的微观组织并推断其力学性能，工艺参数与组织的定量关系，为铝带的工艺控制及改善微观组织提供了可靠的依据。随着计算技术的不断发展，各种模拟方法也纷纷出现。主要的模拟方法有确定性方法、随机性方法及相场方法。确定性模型可以把凝固过程中的质量守恒方程和形核长大模型耦合起来，在考虑宏观偏析和固态传输时更接近于实际凝固过程，但是它不能处理晶体生长过程中的一些随机过程，难以考虑晶体学的影响，所以无法模拟凝固时枝晶的生长过程及形貌。而随机性模型只能将能量方程与形核长大模型耦合起来，更适合于描述柱状晶的形成以及柱状晶等轴晶之间的转变。它主要有蒙特卡罗法和元胞自动机法。尽管蒙特卡罗法被证明能产生同实际铸件组织相似的晶粒结构，但它缺乏物理基础。而相场方法用统一的控制方程，不必区分固液相及其界面，不必跟踪固液界面，在模拟晶粒三维生长方面有独特的优势，但其计算量非常大，其数值模型求解方法的计算效率还较低。在求解复杂相场模型时，只能依托大型工作站对简单模型进行计算。综合以上各自的优缺点进行考虑，采用元胞自动机法进行铸轧过程微观组织的模拟和预测，找出铸轧过程凝固微观组织形成和生长规律对于优化铸轧工艺参数、获得高质量的铸坯是一个既经济又切实可行的方法。