1.一种奥氏体化组织演变的双尺度元胞自动机模型模拟方法,其特征在于:所述方法是通过以下步骤实现的:步骤一、根据初始组织金相图片建立初始组织几何模型:
对于由铁素体和珠光体混合组织构成的低碳钢材料,根据低碳钢材料金相图片中铁素体晶粒和珠光体组织的对比度差异,通过计算机图像处理建立出包含铁素体和珠光体组织的初始组织几何模型;
步骤二、在珠光体组织元胞内定义铁素体和渗碳体亚元胞:
珠光体组织由铁素体和渗碳体片层组成,为了描述珠光体组织的结构特征,在初始组织几何模型中的珠光体元胞内分别设置一个铁素体和渗碳体亚元胞,组成一个等效元胞单元,等效元胞单元内铁素体和渗碳体亚元胞的单元尺寸由下式给出:式中,Li代表铁素体或渗碳体亚元胞的单元尺寸,fi代表铁素体或渗碳体的体积分数,LC为等效元胞单元尺寸,在对所述低碳钢进行退火处理时,奥氏体形核与生长以及铁素体和渗碳体溶解过程所对应的微观组织界面演变可以通过包含铁素体和渗碳体亚元胞的等效元胞的状态变量的演变进行模拟;
步骤三、根据奥氏体形核、生长以及扩散模型,计算当前退火温度下,奥氏体形核速率、奥氏体生长以及珠光体和铁素体溶解的界面迁移速率,以及碳元素扩散速率;
步骤四、对于当前元胞自动机时间步,根据步骤三计算出的奥氏体形核速率,以及奥氏体生长与珠光体和铁素体溶解的界面迁移速率,分别计算出奥氏体形核率、奥氏体生长以及铁素体和渗碳体溶解的界面迁移量,并根据当前温度的碳元素扩散速率,对铁素体和奥氏体内的碳浓度场分布进行更新,从而最终确定该元胞自动机时间步结束后,模型内各元胞的最新状态量。
步骤五、重复步骤三和步骤四直至计算结束。
2.根据权利要求1所述的一种奥氏体化组织演变的双尺度元胞自动机模型模拟方法,步骤三中使用如下模型进行计算:(1)所述低碳钢退火过程发生奥氏体化转变时,奥氏体的形核速率由形核理论模型给出:式中,K1为与形核位置密度有关的常数,K2为与所有潜在形核界面能相关的常数,k为玻尔兹曼常数, 为碳原子在奥氏体内的扩散系数,T为退火温度,ΔGN为奥氏体形核驱动力,ΔGN与加热温度以及局部碳浓度有关,奥氏体在珠光体团簇内形核时,奥氏体形核驱动力ΔGN可表示为:式中, 为与温度相关的比例系数,CP和Cγ分别为珠光体的平均碳浓度以及当前温度奥氏体相对于铁素体的平衡碳浓度;
(2)低碳钢退火过程发生奥氏体化转变时,奥氏体生长以及铁素体和渗碳体溶解时发生的界面迁移行为,采用混合控制模型进行描述,不同相界面的迁移速率可统一表示为:vij=MijΔGij
其中,vij为界面迁移速率,Mij为界面迁移率,ΔGij为界面迁移化学驱动力,i和j分别代表界面两侧的不同组成相,其中界面迁移率与温度成指数关系,可表示为:式中, 为界面可动性系数,Qij为界面扩散激活能,R和T分别为普适气体常数和绝对温度;
进一步地,界面迁移过程中,界面迁移化学驱动力可近似为界面处碳浓度与平衡碳浓度差的一次函数,对于奥氏体-渗碳体和铁素体-渗碳体界面,其界面迁移的化学驱动力可表示为:式中, 为与温度相关的比例系数, 为奥氏体或铁素体相对于渗碳体的平衡碳浓度,ci/θ为奥氏体/渗碳体或铁素体/渗碳体界面处的碳浓度,i表示奥氏体或铁素体,θ表示渗碳体;
对于奥氏体-铁素体界面,其界面迁移的化学驱动力可表示为:
式中, 为比例系数,cγ/α和 分别为奥氏体/铁素体界面处的碳浓度以及奥氏体相对于铁素体的平衡碳浓度;
(3)奥氏体形核和界面迁移的化学驱动力与组织内部的碳浓度分布紧密相关,退火过程中,渗碳体溶解过程产生的碳元素将经由奥氏体和铁素体扩散至界面前沿,从而为奥氏体生长提供所需的碳元素,碳元素的扩散可通过Fick第二定律表示:式中,φ为组织结构标识,表示铁素体或奥氏体相,Cφ为相φ中的碳浓度, 为碳原子在相φ中的扩散系数,碳扩散系数与温度的关系可表示为:式中, 为常数, 为碳扩散激活能。