材料科学和计算机技术的进步，使得材料研究的性质正在发生变化。随着材料的计算机模型化和仿真技术的发展，材料研究正从定性描述进入定量描述阶段。由此，一些学者提出了“材料设计”的概念，从材料组分、微观结构出发，借助计算机计算，估计材料的性质，并选定控制材料微观结构和性质的合成方法，以便生成满足应用要求的功能材料。由于材料微观组织对其性能起着决定性的作用，微观组织设计成为材料设计的一个重要层次。通过组织及其演变过程的建模和可视化仿真实现退火过程微观组织设计，可以更好的认知和控制退火组织，优化退火工艺，开发高性能材料。因此，冷变形金属再结晶退火过程微观组织结构的模拟具有重要的理论意义和使用价值。 Monte Carlo Potts模型(简称MC Potts模型)具有可分析复杂组织和可视化仿真等能力，本文采用MC Ports模型作为模拟的工具，研究的重点在于计算机模型的建立和组织模拟关键技术的研究：从MC基础理论、模型应用研究入手，结合退火过程中形核、再结晶和晶粒长大物理冶金基础，对现有MC模拟模型进行改进，提出了新的二维再结晶、晶粒长大MC Potts模型、新的再结晶形核模型和实时计算模型；系统地研究了退火过程组织演变计算机模拟和仿真的关键技术：应用以上改进模型和计算机关键技术编写了一个等温退火过程组织模拟的核心程序，模拟超低碳高强度烘烤硬化钢板(ELC-BH钢板)连续退火过程，并与实验结果作了对照。 MC方法是以概率和统计学的理论、方法为基础的一种数值计算方法。它将所求解问题转换成事件概率模型，用计算机实现抽样，得到这个事件出现的频率，或者事件的概率平均值，并用它们作为问题的解。在热力学研究领域，Metropolis方法是正则系统中最为有效的抽样方法。本文采用Metropolis抽样方法作为退火组织模拟解决问题的方法，其中，微观状态的转变几率w的设计和细微平衡条件建立是实现Metropolis抽样的关键，是组织模拟建模的基本研究内容。 Ising模型和Potts模型是MC方法应用于热力学过程的两个基础模型。Ising模型是描述铁磁体自旋状态的两态物理图样模型，Potts模型是解决多态问题的物理图样模型。Potts模型和通过Metropolis抽样的MC方法构成退火 组织模拟的模型基础。 再结晶和晶粒长大过程MC Potts模型模拟的通用路径为：生成点阵一根据模拟对象，生成初始组织一赋予结点能量一形核一组织演变模拟一组织图像可视化仿真一组织特征统计计算。本文根据退火过程的MC模拟的路径，深入研究了退火组织模拟的计算机关键技术。详细介绍了三角形点阵生成的关键技术，提出了在四边形点阵基础上，采用“抽点法”生成三角形点阵的新方法；研究了 MC 模拟初始组织生成的关键技术，提出了根据相似性原则生成冷轧变形组织的新方法，并对取向数进行物理定义，让每一个取向数都指向实际的晶粒取向；研究了形核和组织演变的图像仿真关键技术；研究了组织特征的数值计算方法，根据物理概念，建立了组织特征(形核率、再结晶分数、晶粒尺寸及其分布等)统计计算方法。 在晶粒长大MC模拟建模方面，本文提出结点再取向时应遵循的“择优转换原则”，即结点再取向时的新取向数选择使体系能量降幅最大的取向数、新的结点取向转换概率公式和新的实时计算模型等新观点。根据“择优转换原则”，结点取向转换时确保晶界向其曲率中心移动，以致模拟的晶界的迁移更符合其物理本质；新的结点取向转换概率公式和新的实时计算模型以TurnbuII晶界迁移速率方程为其物理基础。在以上新观点的基础上，本文构建一个新的晶粒长大二维MC Potts模型(RSGP模型)，并应用该模型研究了各向同性晶界能和晶界迁移率条件下正常晶粒长大过程微观组织演变、动力学及晶粒尺寸分布等特征，并将研究结果与正常晶粒长大理论、实验结果及现有模型模拟结果进行了对比，研究发现模拟结果好于现有模型，与理论、试验结果相符的较好。应用RSGP模型研究了各向异性晶界能和晶界迁移率条件下晶粒长大特征，各向异性使晶粒变得不均匀、不规则，降低了晶粒长大动力学指数，晶粒尺寸分布变宽，偏离对数正态分布。研究了初始组织织构强度对晶粒长大行为的影响，研究发现织构强度明显影响晶粒长大行为，异常晶粒长大出现在中等织构强度的组织中，而不会在太强或太弱织构组织中出现，此时的晶粒长大属于各向异性条件下的正常晶粒长大。理论分析了引起异常晶粒长大的原因，研究发现各向异性晶界能和晶界迁移率是异常晶粒长大的内因，织构是异常晶粒长大的外因。 以Huang和Humphreys A1-Si0.05％Si单晶材料亚晶异常长大研究为实验 基础，以Holm模型为模型基础，建立了一个新的亚晶异常长大形核模型(SAGN模型)。相对于Holm模型，新形核模型给出了明确的形核判据和详细的形核过程，结点形核与形核时间具有相关性。 在再结晶MC模拟建模方面，本文提出了一个生成初始组织的方法一网格变化法，较真实地模拟退火初始组织(即冷轧组织)；基于实际的冷变形材料组织中储存能分布规律，提出了一个储存能非均匀分布模型；对结点再取向选取方式进行改进，根据“择优转换原则”选取结点新的取向数，保证了已再结晶晶粒之间竞争长大时晶界向其曲率中心移动，也保证了再结晶时已再结晶晶粒吞噬未再结晶晶粒，避免了未再结晶晶粒吞噬已再结晶晶粒以及为未再结晶晶粒长大互相吞噬：基于Turnbull晶界迁移速率方程，建立了一个新的结点再取向转换概率公式；基于Turnbull晶界迁移速率方程，建立实时计算模型。综合以土改进措施和SAGN模型，本文建立了一个新的再结晶二维MC Potts模型(RSKP模型)，并以冷轧高纯铝板为初始条件，模拟的非均匀形核结果与理论、实验观察结果一致，证明SAGN形核模型是正确的；模拟了退火再结晶过程，模拟的组织演变、动力学特征规律与再结晶理论规律、实验结果一致，模拟的Avrami指数小于JMAK预测值2，但与实验结果一致。模拟结论证明了RSRP模型可以有效的模拟和仿真材料再结晶过程。 以ELC-BH钢板为研究对象，实验研究了连续退火工艺过程；综合形核SAGN模型、再结晶RSRP模型、晶粒长大RSGP模型和实时计算模型等，编制了等温退火模拟程序，模拟了ELC-BH钢板连续退火工艺过程。模拟的再结晶分数曲线与实验预测的曲线基本一致，模拟的再结晶时间略大于实测时间；模拟的初始冷轧组织、形核和再结晶组织、晶粒长大组织与实验观察结果一致，只是再结晶后的组织晶粒度较小。文章最后分析了模拟结果与实验结果的误差分析，提出模型完善和材料参数精确化的研究方向。以上模拟结果证明了采用本文建立的MC模拟程序可以较好的模拟和仿真实际退火过程，采用计算机模拟辅助实验研究退火工艺是切实可行的。 在再结晶和晶粒长大模拟过程中，模拟的实际时间t<,real>与模拟时间t<,MC>都呈指数关系t<,real>=Ct/<, Mc>，而非文献中提到的直线关系。