静态再结晶过程的元胞自动机模拟(Ⅰ)——微观组织演化和动力学研究

采用正六边形网格划分法、最近邻邻居关系及周期性边界条件的二维元胞自动机(CA)法,建立了热加工过程中静态再结晶的微观组织演化模型。在此基础上分析了形变组织和微观结构的演化,以及再结晶动力学和储存能的变化情况。结果表明:变形程度越大,形变组织的晶粒形态越偏离等轴状。模型可动态的再现再结晶过程中的微观组织演变,晶粒形态、晶粒尺寸符合静态再结晶基本规律。模拟得到的动力学符合JMAK理论。Avrami曲线的斜率在2.5左右。随着变形程度的增加,储存能降低的速度加快,完成静态再结晶所需的时间缩短。此规律满足能量降低准则。充分表明本模型能够较好的模拟静态再结晶过程。     

相场方法模拟AZ31镁合金的静态再结晶过程

为了获得合金静态再结晶前的变形晶粒组织,应用网格畸变模型与相场模型结合,生成变形合金再结晶前的初始晶粒组织;针对合金不同变形区域的特征和体系储存能分布不均匀的特点,分别引入反映不同变形区域的储存能分布的权重因子和变形区域的特征状态因子,构造多状态的非均匀自由能密度函数.在此基础上,应用相场动力学方程模拟了AZ31镁合金的静态再结晶过程的微结构演化,系统地分析了再结晶转变动力学曲线和Avrami曲线,以及储存能释放规律和再结晶晶粒尺度分布.模拟得到的动力学规律符合JMAK理论,所得的Avrami曲线可近似看成一条直线,对应于真应变ε=0.25,0.50,0.75和1.00,该直线的平均斜率分别为2.45,2.35,2.19和2.15.Avrami时间指数随变形量的增加而降低.变形程度大的合金,储存能释放的速度快,完成静态再结晶所需的时间短.基于本文提出的模型,结合相场方法计算模拟所得的结果与已有的理论结果和实验结果符合良好.     

元胞自动机模拟形变组织的网格映射模型

文章采用正六边形网格划分法、最近邻邻居关系以及周期性边界条件的元胞自动机方法,获得等轴的母相微观组织。在此基础上建立网格映射模型,模拟得到静态再结晶前的形变组织以及动态再结晶过程中的形变组织,并与实验结果进行对比。结果表明,模型计算得到的尺寸误差较小,能够满足尺寸精度的要求。模拟得到微观组织随着应变的增加,晶粒形态沿变形方向伸长。应变越大,晶粒伸长的程度也越大。在大的应变量下,等轴的微观结构演变成纤维组织。模拟结果与实验结果符合较好,表明本模型能够用于模拟材料的形变组织。     

大型冷轧辊Cr5钢的静态再结晶行为及其动力学模型

为了研究冷轧辊Cr5钢在不同形变条件下的静态再结晶行为,利用热模拟试验机Gleebel-1500D进行了双道次热压缩试验。探讨了变形温度、变形程度、应变速率和初始奥氏体晶粒尺寸在不同间隔时间内对其静态再结晶行为的影响。结果表明:变形程度、应变速率对静态再结晶体积分数影响最大,变形温度次之,初始奥氏体晶粒尺寸影响较小。对于微观组织演化,变形温度和初始奥氏体晶粒尺寸对其影响最大,变形程度和应变速率影响较小。依据试验结果,建立Cr5钢的静态再结晶动力学模型,通过模型预测结果和试验结果比对得到其相关系数达到了0.9895,表明两者有较高的契合度。     

GCr15钢双道次热变形过程的元胞自动机模拟

建立了一类双道次热变形过程的二维元胞自动机模型。模型综合考虑了热变形过程涉及的动态再结晶、静态回复、静态再结晶、亚动态再结晶和晶粒长大等单个的物理现象。利用模型对GCr15钢的双道次热压缩过程进行了模拟,讨论了变形温度、应变速率、初始晶粒尺寸、第一道次变形量以及道次间隔时间对微观组织演变、流变应力行为和再结晶动力学的影响。将模拟结果和已获得的实验结果进行比较,吻合较好。     

变形合金的亚晶组织演化的相场模型

将多态相场(MSPF)模型与品格畸变模型结合,根据合金的储存能分布,应用于亚晶组织的演化研究.通过构造变形晶粒的初始亚晶组织,计算模拟再结晶过程中亚晶通过合并与吞噬机制进行长大的微观演化过程,系统研究了变形量对亚晶尺寸分布和亚晶长大速率的影响.结果表明,在储存能较高的区域(如晶界附近处),亚晶较细小,分布较密集;再结晶过程中,亚晶密度高的区域最先出现亚晶合并和吞噬现象,并通过该机制使再结晶晶粒形核和长大;而在变形晶粒内部,亚晶分布较均匀且数量密度低,尺寸较大,亚晶合并长大的速率较慢.再结晶晶粒尺寸权重概率分布表明,变形量大的合金,晶粒尺寸较快地变大,完成再结晶的时间较短,而变形量较小的合金,晶粒尺寸变化较慢,再结晶完成的时间较长.亚晶组织演化的模拟结果与实验结果相符.     

多向锻造纯钨形变储存能及动态再结晶行为分析

对纯钨烧结体进行多向锻造试验,运用OM和DSC分析了纯钨多向锻造组织演化规律及形变储存能的变化,结合XRD、EBSD对纯钨形变储存能的来源及动态再结晶行为进行了研究。结果表明:多向锻造后纯钨内部孔隙明显减少,热变形过程中的动态再结晶导致晶粒显著细化,变形后保留在晶粒及亚晶内部的高密度位错结构导致形变储存能的增加,再结晶晶粒主要沿能量较高的晶界及晶界交汇处分布,其动态再结晶机制为形变诱导晶界迁移机制与亚晶粗化及晶粒机械破碎的混合机制,多向锻造后纯钨再结晶温度基本不变,材料热稳定性有所提高。     

新的单参数动态再结晶动力学建模及晶粒尺寸预测

通过引入动态再结晶的演化速率,分析了基于Avrami方程的经典动态再结晶动力学模型的不足.提出了一种新的具有单参数的动态再结晶动力学模型,反映了动态再结晶过程缓慢快速缓慢的特点.采用Gleeble-1500热模拟试验机,对典型的具有动态再结晶特性的材料镁合金AZ31B进行了热压缩实验,通过进行参数回归得到了其动态再结晶动力学模型,并与实验结果相对比,验证了该模型的正确性.进一步将稳态变形条件下获得的微观组织演化模型改写成分步叠加形式.与动态再结晶晶粒尺寸模型相结合,应用到非隐态条件的晶粒预测,模拟与实验的对比表明计算结果和定量金相法所获得的结果基本一致,说明了非稳态变形过晶粒的叠加预测方法的合理性.     

应变速率对金属动态再结晶影响的数值模拟

采用元胞自动机方法建立了多晶金属材料塑性加工过程动态再结晶的二维模型,模拟了动态回复、位错密度变化和动态再结晶的微观结构演化等一系列过程。利用该模型可得到晶粒形态及晶粒的取向和大小,模拟结果很好地描述了动态再结晶的生长动力学特征,并动态地再现了实验方法观察到的动态再结晶的微观组织特征。在该模型的基础上,分析了应变速率对动态再结晶过程,以及动态再结晶晶粒尺寸的影响。     

X70HD抗大变形管线钢的静态再结晶行为

利用Gleeble-3500热模拟试验机对X70HD抗大变形管线钢进行了不同变形条件下的双道次热压缩实验,研究了不同形变条件对X70HD抗大变形管线钢静态再结晶行为的影响。根据实验结果计算得到了此材料的静态再结晶的激活能,建立了具有较高精度的静态再结晶动力学模型。结果表明:X70HD抗大变形管线钢静态再结晶行为受到变形速率、变形量、变形温度等参数的影响较大,而受材料初始晶粒尺寸的影响较小,并随着间隔时间的增大软化程度加大,静态再结晶分数升高。     

35CrMo钢动态再结晶过程数值模拟与试验研究

以热物理模拟试验研究为基础,得出35CrMo钢发生动态再结晶时的数学模型。采用热一力耦合的弹塑性有限元法对35CrMo结构钢在热变形过程进行了数值模拟。变形的不均匀性导致动态再结晶进行的不等时性,动态再结晶的发生初始于大变形区,随着应变的增加,逐渐向粘着区和自由变形区延伸。同时预测热变形过程的形变量、形变速率和形变温度对再结晶微观组织演变的影响。在一定温度下,再结晶晶粒尺寸的大小与应变速率呈反方向变化,随着变形的进行,试样内的晶粒尺寸趋于细化和均匀化。在一定应变速率下,随着形变温度的降低,再结晶晶粒尺寸趋于细化,导致了锻件的综合性能提高。为了观察显微组织演化过程,对模拟结果进行了金相法验证,模拟结果与实验结果比较吻合,模拟的结果是合理的。     

动态再结晶过程的三维元胞自动机模拟

建立了一类模拟金属材料动态再结晶的三维元胞自动机模型,该模型把宏观尺度的热加工参数和介观尺度的位错密度变化耦合在一起,考虑了动态回复、形核率、应变和初始晶粒尺寸的影响.利用这个模型可以追踪动态再结晶过程微观组织的变化,并且可以得到再结晶晶粒形态及晶粒的取向和大小.模拟结果与动态再结晶生长动力学理论符合较好.模型预测的再结晶微观组织及晶相形状和试验微结构吻合较好.     

相场方法研究变形镁合金的晶粒分布

结合多态相场(MSPF)模型与晶体畸变模型,获得变形镁合金初始变形晶粒组织以及合金内部的非均匀储存能分布,计算模拟不同退火温度条件下的再结晶形核和晶粒长大的微观演化过程,分析退火温度对再结晶晶粒长大和晶粒尺寸的影响,对比不同时刻的再结晶晶粒分布特征。结果表明:在相同的变形条件下,位错密度高的区域,如晶界附近,储存能较高,再结晶形核最先在高储存能区域出现,并通过合并与吞噬机制长大;而在变形晶粒内部,储存能较低且分布相对均匀,再结晶过程中形核长大较慢。不同退火温度下晶粒尺寸权重概率的分布表明:低温下会出现双峰结构和异常晶粒长大现象;高温下晶粒长大较快,晶粒尺寸分布向大尺寸方向变化且趋于均匀。     

基于热力耦合的塑性成形动态再结晶仿真分析

解析了微观组织演化模型与有限元传热变形相互耦合的理论方法,利用Deform软件建立了考虑材料变形、传热、生热、动态再结晶、静态再结晶、亚动态再结晶、晶粒生长等多因素的耦合计算模型.以规格φ35mm×70mm的In718棒坯镦粗70%、冷却5s为实际算例,定义了In718流动应力模型、组织演化模型,对热塑性变形、空冷过程中动态、静态、亚动态再结晶的晶粒尺寸、体积分数及发生的时机等进行了有效预测.     

元胞自动机方法对动态再结晶过程的模拟

建立了模拟多晶金属材料动态再结晶过程的二维元胞自动机模型,模型考虑了动态回复、位错密度及形核率等因素对动态再结晶的影响。利用这个模型可以得到整个形变过程的位错密度变化,晶粒形态及晶粒的取向和大小,模拟结果与动态再结晶生长动力学理论符合较好,并证实了动态再结晶的平均晶粒尺寸与初始晶粒的分布和大小无关的结论。     

高铁螺纹道钉钢TD16静态再结晶行为研究

利用双道次热压缩实验,在Gleeble-3500型热模拟机上研究了金属材料高铁螺纹道钉钢TD16的静态再结晶行为,分析了不同变形温度、应变、应变速率和初始晶粒尺寸对高铁螺纹道钉钢TD16的静态再结晶体积分数的影响。借助金相显微镜,对单道次热压缩后的试样进行微观组织分析,获得静态再结晶晶粒尺寸。基于实验数据进行线性回归分析确定材料的相关参数,从而建立了高铁螺纹道钉钢TD16静态再结晶的动力学模型和晶粒尺寸模型。通过不同热变形工艺参数下高铁螺纹道钉钢TD16静态再结晶动力学模型预测值与实验值的对比可知,实验数据与预测数据吻合良好,从而较好的验证了高铁螺纹道钉钢TD16动力学模型的正确性。     

7050铝合金内部沿晶微裂纹热塑性修复的元胞自动机模拟

根据7050铝合金单道次热压缩变形实验数据,对建立微裂纹修复的元胞自动机(CA)模型所需相关参数进行辨识和计算。利用Microsoft Visual C++平台编制了包含拓扑变形机制、位错密度演变机制、动态再结晶动力学机制的沿晶微裂纹热塑性修复的微观组织CA演化规则。针对裂纹表面和母相晶界的不同特征,提出再结晶过程中表面能和晶界能驱动下不同的晶粒长大方式。CA模拟结果表明:一定条件下的热塑性变形和动态再结晶可完全修复材料内部微裂纹,且裂纹愈合过程中出现的分段愈合特征与实验结果相吻合,但裂纹愈合的形貌演化取决于裂纹形态、裂纹表面形核率和形核位置、新晶粒长大方向与速度。     

基于CA法对叶片成形中动态再结晶的模拟研究

对汽轮机叶片模锻成形过程进行三维数值模拟试验研究,获得应力、应变、应变速率、温度分布等信息.采用一类动态再结晶二维元胞自动机模型,模拟了加工硬化、动态回复、形核及再结晶晶粒长大等一系列过程,可以得到变形过程中位错密度的变化,晶粒形态及晶粒的取向和大小,并分析了不同应变和温度下微观组织的演变.模拟结果与动态再结晶生长动力学理论吻合较好.     

轧辊用Cr5钢静态再结晶行为及元胞自动机模拟

采用双道次热压缩试验研究Cr5钢在道次间隔时间内的静态再结晶行为,结合静态再结晶物理机制与元胞自动机(CA)法,建立Cr5钢静态再结晶CA模型。基于Eclipse开放式平台,采用Java语言编写CA程序实现了对该钢材静态再结晶行为及微观组织演变的模拟,并与热压缩试验得到的微观组织进行对比。结果表明:随着间隔保温时间的增加,静态再结晶体积分数经历了缓慢增加-急速增加-稳定不变3个阶段,平均晶粒尺寸先快速减小,然后减小幅度减慢,当再结晶体积分数接近100%时,其平均晶粒尺寸又会有小幅度的增加;模拟得到的平均晶粒尺寸与试验得到晶粒尺寸值吻合度较高;同时为了进一步验证所建模型的准确性,对不同应变速率下的静态再结晶动力学进行研究,并与描述再结晶动力学的经典理论(JMAK理论)做了对比,其静态再结晶分数和时间关系曲线呈"S"型,Avrami曲线斜率n在2~3之间,与JMAK理论符合较好。     

累积叠轧焊AZ31镁合金微观组织和织构演变的EBSD研究

对AZ31镁合金热轧板在350℃进行了累积叠轧焊(ARB)变形,采用EBSD技术研究了AZ31镁合金的微观组织和织构演变.结果表明,ARB可以显著细化AZ31镁合金的晶粒组织,经过3道次变形后平均晶粒尺寸为2.18μm,后续的ARB变形使AZ31镁合金的微观组织更均匀,但晶粒不会再显著细化,说明存在临界ARB变形道次,使晶粒细化和晶粒长大之间达到动态平衡.AZ31镁合金在ARB变形过程中的晶粒细化机制为连续动态再结晶,尤其还观察到了旋转动态再结晶.动态再结晶的形变储存能来源于多道次累积的剧烈应变和沿厚度方向分布复杂的剪切变形.ARB变形过程中旋转动态再结晶和剪切变形使新晶粒c轴发生旋转,导致基面织构弱化.