基于元胞自动机法模拟凝固过程微观组织的研究进展

元胞自动机法是一种模拟金属凝固过程微观组织的有效方法,是目前的研究热点,具有广阔的应用前景。对比了元胞自动机法与通常所用相场法的区别,综述了近年来用元胞自动机法模拟合金凝固微观组织的国内外研究现状,分析了当前急待解决的主要问题,并指出了今后的发展方向。     

采用元胞自动机法模拟凝固微观组织的研究进展

系统论述了元胞自动机(CA)方法模拟凝固微观组织的原理,同时介绍了这种方法在国内外的研究现状。实际上,国内外的研究主要经历了从晶粒结构到枝晶结构,从二维到三维、从没有流场到包含流场的逐步深入的发展历程。最后对CA方法的进一步研究方向提出建议,指出CA方法需要进一步完善现有模拟过程中所采用的生长动力学模型,同时可以将应用范围向半固态凝固领域拓展。     

焊缝金属凝固组织元胞自动机模拟

应用元胞自动机方法进行了焊缝金属凝固组织的模拟.所建立的焊缝凝固组织二维元胞自动机模型考虑了晶粒的概率性成核、曲率过冷、温度过冷、成分过冷、潜热的释放、溶质浓度的再分布以及焊接熔池晶粒的联生长大等影响因素.模型在统一网格下分别采用差分法计算温度和溶质的扩散,应用元胞自动机方法模拟晶粒形核及生长.模拟结果能够定性地再现焊缝金属晶粒择优取向与竞争长大机制.结果表明,元胞自动机方法较好地反映了焊缝金属凝固的特点,是焊缝凝固组织模拟的新途径.     

LSPWES法半固态组织演化的元胞自动机模拟

为理解低过热度浇注弱电磁搅拌(LSPWES)过程中铝合金半固态球晶组织形成的基本规律和演化机制,建立了元胞自动机(Cellular Automaton)和有限元(Finite Element)相结合的宏微观耦合模型,并分析了电磁搅拌对凝固过程的影响,计算了不同搅拌参数下的流场信息,模拟了该方法中不同工艺参数下A356铝合金的凝固组织,得到了最佳的工艺参数。模拟和试验结果表明,当浇注温度为630℃时,施加短时弱电磁搅拌后,增大了形核率,使同时发生凝固的区域增大,提高了晶粒在各个方向上生长的均匀性,促进了球晶组织的形成。此时,最佳搅拌参数:电源频率为10Hz,搅拌功率为1.2kW,搅拌时间为6s。     

15SiMn钢奥氏体等温相变的元胞自动机模拟

建立了15SiMn钢奥氏体一铁素体相变的二维元胞自动机介观模型.模拟结果显示,对于某一给定温度,铁索体的长大速度在相变过程中逐渐降低.当生长速度接近0时,奥氏体相中相界面处平衡碳的质量分数为0.523 95%.此外,模拟结果还显示,由于奥氏体晶界上的碳原子扩散和奥氏体-铁素体相界面移动都较奥氏体晶内更快,所以奥氏体晶界上铁素体晶粒形貌为椭圆形.     

累积叠轧Nb/Zr层状复合板的微观组织与力学性能研究

采用累积叠轧法制备了初始Zr层厚度不同的两种Nb/Zr金属层状复合板并对其在叠轧过程中的微观结构、织构演化和力学性能进行了研究。结果显示, Nb/Zr层状复合材料的界面结合良好,异质界面处无金属间化合物产生。随着叠轧道次增加,层状复合结构内部形成了贯穿于多个金属层的剪切带组织,初始Zr层厚度为1 mm的复合板较Zr层厚度为2 mm的复合板易于发生Zr层的颈缩、断裂和分离。Nb层内主要为位错胞状结构, Zr层内为高位错密度晶粒与动态回复晶粒的混合组织。此外,不同初始Zr层厚度的复合板中Nb层的织构演化特征不同：当初始Zr层厚度为1 mm时,Nb表现为强立方取向;当初始Zr层厚度为2 mm时,随着叠轧道次增加,旋转立方取向始终为主导的织构组分。两种复合板中Zr层的织构演化特征一致,即经一道次叠轧后,{0001}基面双峰织构为主要织构组分。随着叠轧道次增加,基面双峰织构略有减弱,同时出现了较弱的{11-20}丝织构。单轴拉伸测试表明,随着叠轧道次增加两种不同Zr层厚度的复合板屈服强度和抗拉强度均逐渐增大,而塑性延伸率呈现先减小后增大的趋势。经三道次叠轧后两种复合板的最大延伸率分别为14.2%和16.5%。叠轧过程中各金属显著的晶粒细化、Zr层内高位错密度晶粒与动态回复晶粒共存的混合组织以及Zr织构的特征演化是贡献于复合板具有高强度和良好塑性的原因。     

一种改进的三维元胞自动机模拟铝合金凝固

以元胞自动机模型为基础,基于晶粒形核和生长的物理过程,建立了铝合金凝固过程演化的三维元胞自动机模型.枝晶尖端生长速度与局部过冷度的关系采用KGT模型,温度场和浓度场的计算采用有限差分法.模型中采用大小两套网格分别进行宏观温度场和微观组织演变的计算,提高了计算效率,使用该模型模拟了铝合金单晶生长以及铝合金在金属模具中的凝固情况,得到了在不同浇注温度下典型的柱状晶向等轴晶转变的三维图形.     

焊缝金属凝固元胞自动机模型的研究

元胞自动机能够基于现象本身的物理机制，对于难以用数学方法定量描述的体系如微观组织的演变等具有良好的适用性。成功地将元胞自动机方法用于焊缝金属凝固组织的模拟中，不仅使数值方法应用于焊接领域的范围和深度进一步扩大，同时，也为更深入地揭示焊接熔池结晶中各种物理现象、探讨其机制打下基础。     

累积叠轧1060工业纯铝的微观组织和性能

采用累积叠轧方法对1060工业纯铝进行变形,分析了变形前后其微观组织和力学性能。试验结果表明,累积叠轧4道次后工业纯铝的抗拉强度提高了60N／mm^2,硬度提高了一倍。在第一道次之后伸长率下降较大,从45％下降到12％,但在以后道次中保持稳定。随着变形道次的增加,纤维组织越来越细。当累计变形量大于75％时其复合界面焊合较好,断裂裂纹很容易在复合界面形核,并沿着复合界面扩展延伸。     

基于BP神经网络的TA15钛合金热变形工艺-性能预报

将经过热约束变形的TA15钛合金进行力学性能测试,获得了工艺(温度、应变、应变速率及冷却方式)、性能(抗拉强度、延伸率)参数数据,利用BP人工神经网络建立起其间的关系网络模型.研究表明:所建立的网络可以很好地反映出本材料的工艺-性能之间的关系并且具有一定的精度,网络模型可以用来预测不同变形条件下TA15钛合金的性能.     

TA15钛合金高温变形过程的介观模拟计算

以多晶体位错滑移及塑性流动机制为基础,探究了TA15钛合金在高温变形过程中介观层次上形变不均匀性和力学响应。基于率相关晶体塑性理论,建立了描述体心立方结构金属力学行为的本构模型,同时考虑了主滑移系和次滑移系的运动;确定了合理的材料本构参数,高温压缩实验与模拟得到的真应力-应变曲线基本一致。通过对TA15钛合金高温变形模拟结果进行分析,包括应力和应变分布、滑移系开动情况和晶界面积变化,得出:(1)由于晶粒几何及取向的随机性造成应力和应变分布非均匀性;(2)晶粒间相互作用的复杂性会导致各个滑移系开动的差异性;(3)形变程度越大,晶粒密度越大,晶界面积变化率越大。模拟结果为相变等显微组织演变及多尺度同步耦合提供了参考。     

TA15钛合金的形变热处理

研究了形变热处理对TA15钛合金组织与力学性能的影响。在α＋β两相进行形变热处理使组织中的条状初生α相碎化。对水冷的试样进行930℃／1h／空冷＋915℃／1h／空冷＋530℃／6h／空冷的处理，抗拉强度明显提高，组织中的条状初生α相发生球化。在β相进行形变热处理使强度略有降低，魏氏组织中的α层片增厚。     

TA15钛合金多向锻造组织和拉伸性能研究

通过多向锻造工艺制备不同变形道次和变形温度的TA15钛合金试样,利用金相观察、EBSD、晶粒尺寸统计和准静态拉伸试验,分析变形过程中组织形貌、晶粒尺寸、相含量、晶界取向差和力学性能的变化。结果表明：TA15钛合金经700 ℃中温多向锻造后获得显著细化的等轴组织,且随着变形道次的增加,促使大角度晶界含量增加,同时晶粒尺寸逐渐减小,3道次后初生α平均晶粒尺寸细化至约为6.0 μm,变形后组织为α+β相,相比初始组织α相含量减少,β相含量增加;在800 ℃和900 ℃变形条件下晶粒尺寸增加,但小于初始试样;坯料的强度经多向锻造后有较大提升,700 ℃、3道次后材料抗拉强度为1443 MPa,延伸率为13.6%,比初始试样略有降低,900 ℃材料抗拉强度为1178 MPa,延伸率提高到15.8%,综合性能得到明显提升。     

高压扭转工艺对TA15钛合金组织和性能的影响

通过高压扭转工艺制备不同扭转圈数的TA15试样,利用金相观察、X射线衍射分析和显微硬度测试,分析高压扭转工艺对TA15钛合金组织和性能的影响。结果表明,变形后试样显微组织沿径向分布不均匀,随着扭转圈数增加,组织中粗大的初生等轴α相逐渐减少,晶粒细化效果明显,材料在(200)晶面出现择优取向;高压扭转变形后,材料的亚晶尺寸减小,微观应变和位错密度显著增加;变形后试样的显微硬度显著提高,且随着扭转圈数的增加,硬度逐渐增加,扭转圈数大于4圈时,显微硬度值趋于饱和。     

TA15钛合金A-TIG焊试验分析

从焊缝成形、焊缝气孔、接头力学性能、微观组织、接头抗腐蚀性能等方面对TA15钛合金A-TIG焊进行了试验研究,并和常规TIG焊进行了比较.结果表明,A-TIG焊能够有效减小熔宽、增加熔深;A-TIG焊能够有效减少气孔数量,提高接头的抗拉和抗弯性能;和常规TIG焊相比,A-TIG焊HAZ较窄且组织较细,而两者的焊缝区组织基本相同;活性剂的加入并没有降低A-TIG焊接头的抗腐蚀性能.总之,TA15钛合金A-TIG焊比常规TIG焊具有明显优势.     

TA15钛合金大型复杂整体构件预锻成形微观组织演化研究

基于DEFORM-3D有限元平台建立了TA15钛合金大型复杂整体构件预锻成形过程的有限元模型,研究了成形参数对预锻成形过程中变形体组织演化和等轴α相晶粒尺寸的影响规律。结果表明:随着变形的进行,等轴α相晶粒发生细化;在950～980℃范围内变形时,随着变形温度的升高,初生α相晶粒尺寸逐渐增大,在980℃条件下变形时,预锻件整体范围内晶粒尺寸波动较大;随着变形速率的增加,初生α相晶粒尺寸减小;在0.5和1.0mm/s条件下成形时,温度对晶粒尺寸影响比较小,而在0.1mm/s条件下变形时,随着温度的升高,晶粒长大比较严重;随摩擦因子的增大,平均晶粒尺寸有所减小,整个锻件晶粒尺寸分布的不均匀性增加。     

TA15钛合金碳钨元素激光表面合金化组织及耐磨性能

针对钛合金耐磨性差的问题,利用WC颗粒与TA15钛合金粉末混合采用激光表面合金化技术在TA15钛合金表面成功制得以溶入W元素的β-Ti为基体、初生及共晶TiC/(TiW)C为增强相的表面改性层。结果表明,改性层由于钨元素与碳元素的添加,显微硬度得到提高,耐磨性能提高了2～3倍。TiC/(TiW)C硬质增强相为提高改性层的耐磨损性发挥了重要作用。     

Microstructure evolution in the local loading forming of TA15 titanium alloy under non-isothermal condition

In this paper, the microstructure evolution and processing–microstructure relationship in the non-isothermal local loading forming of TA15 titanium alloy were studied through an analog experiment. Some new microstructural mechanisms are found, which are different from those under isothermal local loading forming. In the non-isothermal local loading forming, the tri-modal microstructure consisted of equiaxed primary α, lamellar α and β transformed matrix is achieved. The lamellar α, not produced under isothermal condition, is generated by β → α transformation due to the decrease of component temperature. With the same processing parameters, the volume fraction and grain size of primary α are both greater than those processed isothermally. The content of lamellar α decreases with heating temperature decreasing and little lamellar α can be found when the heating temperature drops to 930 °C. Under small deformation degree, the lamellar α distributes randomly in each feature region. As deformation increases, the lamellar α in transitional region and second-loading region present a preferred orientation perpendicular to the compression direction. The primary α content almost decreases linearly with heating temperature, which is different from the regular that under isothermal condition. Non-isothermal local loading forming with a higher heating temperature (near-β region) offers a cost-efficient way for the manufacture of TA15 titanium alloy large-scale integral components.     

TA15钛合金双重热处理工艺及其微观组织演化的EBSD研究

针对航空航天工业中广泛应用的近a TA15钛合金,开展了不同热处理参数下的双重热处理实验研究。利用背散射电子技术（Electronic backscatter diffraction, EBSD）表征了不同热处理参数下微观组织形貌特征和晶体学取向分布及规律。对比分析了热处理处保温时间对微观组织形貌及取向分布的影响规律。揭示了双重热处理过程中球化的等轴晶粒,条状次生as晶粒及b转变组织的形成演化过程;分析了不同组织间的晶体取向与位置分布关系。研究表明：双重热处理过程中一次保温时间对等轴初生ap形貌及分布等影响较大;热处理过程中球化的等轴晶粒来源于未转变的ap 相;二次保温时间对as形貌、尺寸等具有显著影响;二次保温过程中细条状as表现为先增长再增厚的生长模式;ap与相邻的as晶体学取向关系表现出一定的统计性规律。