金属凝固组织形成的仿真研究

利用Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ方法,依据对金属凝固过程的温度场,浓度场的数值模拟和金属结晶过程中的热力学条件,建立了描述金属凝固组织形成过程的宏观－微观耦合模型,对Ａｌ－４．５％Ｃｕ（质量分数）固溶型合金的凝固组织形成过程进行了模拟,结果与实际凝固组织接近。     

金属熔体凝固微观组织模拟的相场方法研究

全面阐述了现有的金属熔体凝固微观组织模拟的相场模型:纯物质、二元合金理想溶液或正规溶液和稀溶液相场模型,指出构造适合于具有复杂溶液模型的金属熔体凝固微观组织模拟相场模型的必要性.提出采用相图计算热力学模型构造相场模型中的体系自由能,并对相场参数做出相应修正,建立了能对具有复杂溶液模型的金属熔体凝固微观组织进行准确模拟的相场模型.利用该相场模型对Ti-Al金属熔体中晶体的自由生长和定向生长进行了模拟,得到许多与试验观察和理论分析相一致的结果.     

金属高温塑性成形微观组织演变研究进展

金属在热加工过程中微观组织发生动态、静态回复以及再结晶、晶粒长大等一系列复杂的演化,材料内部微观结构的改变,会直接影响成形后金属的成形质量和力学性能。文章阐述了金属高温塑性成形时微观组织预测模拟的主要研究方法,即直接模拟法、相场法和有限元法;并分别评述了各方法目前在国内外的研究概况、特点以及缺点和适用范围;重点介绍了基于物理本质多尺度耦合的微观组织内变量有限元模型方法。研究结果表明,基于内变量法的微观组织物理模型相对其他方法,最适合用于多尺度微观组织预测数值模拟,模拟结果与实际更为相符,而且最能解释说明各变量演变的物理机制,具有广阔的应用前景。     

电塑性摩擦焊接过程的动态再结晶数值模拟

摩擦焊过程中界面的塑性变形是摩擦焊的核心，中以宇航工程常用的构件材料LY12合金为研究对象，建立了电场条件下棒状试件摩擦焊的热力耦合塑性成形有限元分析模型，获得了焊接过程中焊接界面处材料的温度场、应变场、应力场、电场强度等物理参量场，并应用Yada模型建立了LY12合金摩擦焊接过程显微组织的演化模型，计算了摩擦焊接过程动态再结晶区的分布及再结晶区晶粒的尺寸，并分析研究了上述场变量对电场条件下连续驱动摩擦焊成形工艺及成形件质量的影响。     

GH4169合金惯性摩擦焊接过程组织计算与预测

以高性能航空发动机涡轮盘和压气机盘为背景，采用有限元数值模拟方法，对GH4169合金模拟件的惯性摩擦焊接过程进行了分析与计算，基于金属塑性变形的物理基础，建立了GH4169合金惯性摩擦焊接过程显微组织的演化模型；通过高温合金在热成形过程中的再结晶发生条件，再结晶体积分数、晶粒尺寸与热力参数（应变速率、应变程度、成形温度）之间的映像关系，对惯性摩擦焊接热力影响区的再结晶组织进行了模拟计算。从而为合理地制定焊接热力规范，提高GH4169合金的焊接性能和接头质量提供了参考。     

热成形过程微观组织模拟研究进展

金属在热成形过程中微观组织发生诸如晶粒长大、再结晶等一系列的复杂变化,会直接影响加工过程与产品的力学性能。对近年计算机技术在热成形微观组织演变模拟方面的研究进展做了比较全面的评述,比较了相关的微观组织模拟方法,分析了利用各种模拟技术所取得的研究成果。     

动态再结晶过程的元胞自动机模拟

结合金属热加工过程的冶金学原理,基于非均匀分布的位错密度场,建立了动态再结晶二维元胞自动机模型(Cellular Automaton),并对不同应变速率和不同变形温度条件下的动态再结晶过程进行了模拟。结果表明:动态再结晶存在明显的孕育期;再结晶晶核优先在晶界处产生;提高变形温度或者降低应变速率均能促进动态再结晶的进行。     

Al-4.5%Cu合金凝固过程显微组织的数值模拟

对Al 4 .5 %Cu二元合金在水冷铜型中的凝固进行了模拟 ,建立了耦合温度场、浓度场和微观生长过程的凝固组织模拟模型。以CA(CellularAutomaton)技术为基础 ,建立了晶粒生长过程的局部演变规则 ,在晶粒尺度上模拟了其凝固过程。将相同条件下的实验结果和模拟结果进行了对照 ,检验了模型的正确性与适用条件。     

基于材料变粘度模型的摩擦液柱成形CFD数值模拟

采用Gambit软件建立了摩擦液柱成形过程流场二维轴对称变粘度模型,运用商业计算流体动力学(CFD)软件Fluent对单元成形过程中稳态阶段塑性金属的流动情况进行了数值模拟。通过改变模拟过程中的进给速度或旋转速度,保持其他参数不变的情况下分析了塑性金属速度场、压力场的变化情况,对比了理想等粘流体模型和实际变粘流体模型的差异。结果表明,金属棒的进给速度对流体压力场的影响显著;随着旋转速度的增加,金属棒壁面以及底部的流体速度显著增加,该区域是单元成形过程中的主要产热区。     

金属凝固微观组织形成的数值模拟

依据金属凝固的基本理论,在Oldfield的连续形核和晶粒长大模型基础上,引入了时间因子,运用随机方法,建立了连续冷却条件下形核和生长的随机模型,使形核和生长模型函数与时间直接相关,反映了连续冷却条件下的金属凝固微观组织的演化过程。基于上述模型,编制了计算模拟程序,模拟了Zn-5Al共晶合金微观组织的凝固过程,并用试验结果对模拟结果进行了验证对比,模拟结果与试验结果基本相符。     

基于多场耦合分析的TC4叶片精锻成形的微观组织模拟

针对TC4钛合金叶片精锻过程,运用三维刚粘塑性有限元模拟方法,采用能反映微观组织演变对材料流动应力影响的本构关系和Yada形式的微观组织预测模型,实现了TC4叶片精锻过程的有限元变形-传热-微观组织演变耦合分析,模拟预测了叶片精锻成形的微观组织,获得了叶片精锻成形的晶粒尺寸和体积分数的分布规律,并分析了变形温度对晶粒尺寸和体积分数的影响,为合理确定叶片精锻工艺和控制叶片质量提供了一定的依据。     

Through-process macro–micro finite element modeling of local loading forming of large-scale complex titanium alloy component for microstructure prediction

The intrinsic multi-heat unequal deformation behavior of the local loading forming requires a through-process macro–micro model to characterize the microstructure evolution during the forming process. In the present work, the phenomena and mechanisms of microstructural developments in local loading forming of titanium alloys are summarized. Mechanism-based unified material models, which characterize the through process microstructure evolution, are developed for integrated prediction of constitutive behavior and microstructure. A through-process macro–micro finite element model is established for the local loading forming of large scale complex titanium alloy component. The model can predict the microstructure evolution as well as macroscopic deformation in multi-step local loading forming process. Model predictions are in good agreement with experimental results. The microstructure evolution in local loading forming is investigated by the established finite element model. It is found that the thermo-mechanical processing route greatly affects the volume fraction of primary alpha but has little influence on the grain size in local loading forming     

A Study on the Recrystallization Behavior of Ni-Based Alloy G3 During Hot Deformation

An integrated microstructure evolution model of thermomechanical processing was developed in terms of dynamic recrystallization (DRX), post-dynamic recrystallization (PDRX) and grain growth. Hot compression tests were carried out on a Gleeble-1500 thermal simulator under different conditions to model DRX, PDRX and short-time grain growth during the post-deformation and cooling process. Furthermore, in combination with the established microstructure evolution models, an elastic–plastic finite element model was built using DEFORM-2D software to simulate the microstructure evolution during the hot extrusion process. The simulation result was compared with the microstructure of a hot-extruded pipe of alloy G3 manufactured in a factory. The simulation results agree well with the experimental ones, validating the accuracy of the established microstructure evolution model. Furthermore, the finite element simulation is an effective method for hot deformation analysis, which can provide theoretical guidance for the optimization manufacturing parameters.     

7A04铝合金热变形过程微观组织演变

以热模拟压缩实验和金相实验为基础,探讨7A04铝合金热压缩变形过程中应变速率和变形温度对流变应力和微观组织的影响规律。通过对实验数据进行回归分析,构建了该合金热压缩变形过程的微观组织演化模型。将建立的材料模型导入有限元软件DEFORM-3D中,对热压缩过程进行数值模拟。结果表明,所建立的微观组织演化模型可以很好的预测7A04合金在热变形过程中晶粒尺寸的演化规律。     

Constitutive Relationship of IN718 Alloy for Thermoviscoplastic and Microstructure Evolution Coupled Analysis

The interaction between thermomechanical parameters and microstructure evolution is so intense that it must be considered during the finite element method (FEM) simulation of the hot plastic working process, for materials that are difficult to deform. Taking the microstructure evolution into account, a novel type of constitutive relationship has been put forward for the IN718 alloy. The microstructure evolution model was first established for the dominant microstructure evolution processes. Then the microstructure evolution models and the method to determine the local flow stress of the corresponding microstructure for current thermomechanical parameters and deformation history were presented. Once the local flow stresses of different structures and their volume contributions were defined, the apparent flow stress of the material could be determined as the weighted sum of the local flow stresses and volume contributions. To validate the proposed method, a thermoviscoplastics and microstructure evolution coupled analysis for a forging process of a critical IN718 disk forging was performed. The predicting results were in close agreement with the experimental data.     

基于CA模拟焊缝凝固过程枝晶生长的分析

将元胞自动机方法用于焊缝金属凝固组织演变的模拟中,不仅为焊缝微观组织演变的数值模拟开辟了一种新的途径,同时也有助于研究焊接接头组织并依此优化工艺来提高焊件质量.文中研究了焊缝凝固过程中的溶质扩散问题,构建了基于元胞自动机的焊缝枝晶生长速度模型,在此基础上进行了焊缝中心等轴晶和熔池边缘柱状晶生长的模拟.初步计算了焊缝中心等轴晶和熔池边缘柱状晶的生长形态,计算结果明显再现了二次、三次枝晶的生长及竞争生长等微观现象.结果表明,元胞自动机方法是研究和模拟焊缝微观组织的有效手段之一.     

基于3D-FEM的大型钛环热辗扩过程微观组织演变仿真

基于ABAQUS/Explicit软件平台,采用弹性预估-塑性校正策略和隐式积分算法,将Ti-6Al-4V的微观组织演变模型和率相关温度相关各向同性硬化弹塑性本构模型写入子程序VUMAT,实现了微观组织演变与宏观热力行为的耦合模拟。利用Ti-6Al-4V圆柱体等温镦粗实验,对所开发子程序的可靠性进行了验证。将该子程序应用于大型钛环热辗扩过程的热力耦合3D-FE模拟中,研究了微观组织在成形过程中的演变特征及机理。研究发现,沿着成形环件的径向,中间层相对于表层具有较小的β晶粒尺寸和β体积分数。     

考虑固溶及时效处理的镁合金铸件微观组织模拟及力学性能预测

基于改进元胞自动机(CA)模型,综合考虑铸造、固溶处理和时效处理过程中的微观组织转变,建立了镁合金铸件微观组织演化模型;在分析Mg-Al系镁合金第二相析出过程和强化机理的基础上,建立了镁合金铸件力学性能模型;针对镁合金汽车轮毂,采用建立的模型,模拟预测了铸件关键部位的微观组织演化和力学性能.结果表明,铸态和固溶处理条件下屈服强度的预测值与实际测量平均值吻合较好,而时效处理状态下的预测值与实测平均值有一定差别,抗拉强度的模拟预测值与实际测量的平均值吻合较好     

镍基合金大锻件成形过程流变行为与晶粒尺寸预测

基于IN718合金热态成形过程中流动应力软化特征,采用动态再结晶软化本构模型来描述锻造过程中变形-传热-微观组织演变的相互作用。借助DEFORM-3D二次开发,将本构模型和微观演变模型进行耦合,模拟预测了IN718合金在多道次锻造过程中流变行为与晶粒尺寸演变,为大锻件锻造热力参数的合理制定与控制提供了依据。