大口径厚壁管热挤压过程中晶粒组织均匀性数值模拟

通过对Deform-3D软件二次开发,模拟研究了新型节镍奥氏体耐热钢21Cr-11Ni-N-RE大口径厚壁管热挤压过程中晶粒演变规律,并引入晶粒组织不均匀因子Z,评估了不同坯料预热温度、挤压速度、挤压比下晶粒组织均匀性。结果表明:增加坯料预热温度、提高挤压速度、增大挤压比均使得晶粒组织不均匀因子Z降低,即有利于提高晶粒组织均匀性。通过正交优化合理选择了热挤压参数,并实际获得了具有均匀晶粒组织的大口径厚壁管。晶粒组织的有限元模拟结果与实际测量值吻合较好,验证了有限元模型的正确性与可靠性。     

纯铁三维显微组织的尺寸和拓扑特征

采用系列截面法实验,对工业纯铁退火的显微组织进行了三维重构,测量了三维晶粒的尺寸和拓扑特征。结果表明,三维晶粒的体积分布呈单调递减趋势,而晶粒的表面积分布在S/=0.2左右出现峰值。纯铁晶粒的尺寸分布的峰值明显低于相场法、表面演化法、Monte Carlo等仿真组织的晶粒尺寸分布,该结果充分表明了实际金属组织与仿真组织的区别,由于各向异性、第二相粒子等实际条件的影响,实际金属材料的晶粒尺寸分布相对于理想的仿真组织具有复杂性。此外,本文开发的三维晶粒重建可视化程序能够较好的重现金属晶粒的几何形貌以及相互之间的空间位置关系,晶粒界面清晰。     

锻造比对H13模具钢晶粒组织遗传规律的影响

为探究锻造比对H13模具钢晶粒组织遗传性的影响,在实验室条件下对H13模具钢进行真空冶炼,并加工成锻造比不同的锻件。观察锻造前后、不同锻造比下以及锻件在进行860℃等温球化退火后的金相组织变化。研究结果表明:锻造比为1时,经等温球化退火后H13模具钢晶粒保持了原试样的组织形态,具有明显的遗传现象;随着锻造比的增大,晶粒度增加,晶粒细化,晶粒组织的遗传性减弱;当锻造比为4时,晶粒度达到8.1,达到超细晶粒等级,晶粒组织的遗传现象基本消除;随着锻造比的增大,晶粒破碎明显增加,弱化了其组织的遗传性。     

异常晶粒长大的Monte Carlo模拟

采用作者提出的Monte Carlo Potts新模型，模拟研究了高纯铝在各向异性晶界能和晶界迁移率条件下晶粒长大的组织、动力学和晶粒尺寸分布特征，揭示初始组织织构强度对异常晶粒长大的影响规律。结果表明：各向异性晶界能和晶界迁移率使晶粒尺寸不均匀、形状不规则，降低了晶粒长大指数，晶粒尺寸分布偏离对数正态分布；异常晶粒长大只出现在中等强度的织构组织中，而不会在太强或太弱织构组织中出现。理论分析认为各向异性晶界能和晶界迁移率是异常晶粒长大的内因，织构是引起异常晶粒长大的外因，其强度决定了异常晶粒长大是否出现。     

中粗WC含量对Ni-Co粗晶硬质合金微观组织及性能的影响

研究了中粗WC含量对Ni-Co粗晶硬质合金微观组织与晶粒分布的影响,进而讨论了晶粒分布对硬质合金力学性能的影响。通过金相分析了中粗WC含量对硬质合金晶粒度与邻接度的影响,并利用截线法研究了微观组织的晶粒的分布规律;研究了晶粒度与晶粒分布对磁力、密度及其它力学性能的影响。结果显示,中粗WC晶粒可均匀分布在粗晶WC周围阻碍粗晶与粘结相接触,抑制了粗晶粒的快速粗化,降低了合金平均晶粒度与平均自由程,使晶粒分布逐渐转变为双峰分布;在压力烧结下所有合金的相对密度均在99.5%以上,通过对矫顽磁力的测试分析,验证了微观组织中晶粒双峰分布的准确性;平均晶粒度的降低使合金硬度逐渐增加、断裂韧性逐渐降低;微观组织中超粗晶粒逐渐减少,有利于硬质合金抗弯强度与耐磨性的提高。在Ni-Co粗晶硬质合金中加入部分中粗WC颗粒有利于减少晶粒粗化进而提高耐磨性,加入30%中粗WC颗粒时综合性能最好。     

Zr-Sn-Nb-Fe锆合金板材轧制及热处理过程中的晶粒组织演变

采用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)分析研究了Zr-Sn-Nb-Fe锆合金板材在热轧及退火→中间冷轧及退火→成品轧制及退火的全工艺流程中晶粒组织的演变规律。结果表明,热轧后合金组织沿轧制方向呈带状分布,晶粒粗大并破碎变形;中间冷轧和成品轧制后合金为沿轧制方向带状分布的细小形变组织,合金组织明显细化;中间退火和成品退火后合金中晶粒再结晶程度较热轧退火时明显提高,晶粒取向差逐渐向正态分布变化,晶粒组织也逐渐均匀化和细化,最终获得细小、均匀分布的完全再结晶晶粒组织,晶粒度12级。     

TiAl基合金双态组织的控制

研究了TiAl合金双态组织的显微组织参数对力学性能的影响 ,通过对Ti 46 5Al 2Cr 1 5Nb 1V金属间化合物进行特定的热处理 ;分别获得了具有相同晶粒大小、不同片层晶粒体积分数 ,以及相同片层晶粒体积分数、不同晶粒大小显微组织的两个系列的双态复相TiAl合金。研究结果表明 :对于双态复相组织 ,晶粒尺寸由预备热处理过程中的退火时间来控制 ;而片层晶粒体积分数则通过后续热处理温度来控制 ,不同片层晶粒含量双态组织的晶粒尺度可以通过后续热处理时间来控制     

钛合金TIG焊接头晶粒尺寸非线性梯度特征

以显微组织与晶粒尺寸统计分析为基础,研究了TC4钛合金不同TIG焊工艺的焊接接头显微组织及其晶粒尺寸变化,引入了晶粒梯度特征值概念,以表征钛合金焊接接头显微组织的非均匀性.结果表明,TC4钛合金TIG焊接头显微组织的晶粒尺寸从焊缝中心经热影响区至母材呈现非线性变化,晶粒尺寸变化率(晶粒梯度)在柱状晶区(CZ)和粗晶区(CGZ)交界处出现最大值,称之为晶粒梯度特征值;随着TIG焊热输入增大,晶粒梯度特征值逐渐减小,但相对位置不发生改变.晶粒尺寸梯度特征值能够反映钛合金焊接接头组织的不均匀性,这对于探索钛合金焊接接头的服役性能具有重要的意义.     

晶界能各向异性晶粒长大的计算机模拟

建立了晶界能各向异性正常晶粒长大的二维元胞自动机模型,并对等温条件下的晶粒生长进行了模拟。通过模拟,得到了不同时刻晶粒显微组织演化图,并且定量地分析了晶粒长大动力学,晶粒尺寸分布和晶粒边数分布。研究结果表明,受晶界能各向异性的影响,晶粒长大指数低于理论值,晶粒中6边形的晶粒居多,晶粒边数分布呈现时间不变性。本模型能较准确地反映正常晶粒长大规律及其动力学,为晶粒组织演化的控制提供依据。     

微熔池凝固组织的数值模拟研究

采用数值模拟对选区激光熔化20μm微熔池凝固过程的微观组织演化进行了模拟,研究了微熔池Y轴空间等距截面凝固组织的平均晶粒尺寸和形状因子的变化。模拟结果表明：微熔池内晶粒沿垂直于熔池壁面的方向择优生长,XZ、YZ截面组织多为柱状晶,凝固组织的平均晶粒尺寸和形状因子均先增大再减小,微熔池中心晶粒的平均形状因子和尺寸最大。     

热轧工艺对X65管线钢的组织与性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜和拉伸试验等方法研究了X65管线钢的显微组织、力学性能及冲击韧性,对粗轧后的高温奥氏体晶粒进行了分析.结果表明,X65管线钢板组织比较细小、均匀,铁素体晶粒呈不规则的多边形或针状,约为6 μm;经5道次粗轧后的高温奥氏体晶粒呈多边形,晶粒度平均为8.5级;成品板的铁素体晶粒内部或晶界处有析出相粒子;由于晶粒组织细小且钢中有害元素、夹杂物的含量低,故板的强度和韧性高.     

DD6合金选晶器定向凝固的数值模拟与实验

使用有限元数值模拟和实验方法对DD6合金选晶器定向凝固过程的温度影响、晶粒组织以及晶粒生长进行了研究。结果表明,温度场模拟与选晶器定向凝固过程的温度变化基本相符,晶粒组织生长的模拟能够反映晶粒竞争生长的实际情况,与实验试样基本一致。由于取向与温度梯度不一致晶粒的位置被取代,使得引晶段中的晶粒平均半径随着高度增加而增大,晶粒密度不断减小,两者有负指数关系。对比了螺旋段不同高度截面EBSD晶粒取向实验成像与晶粒模拟结果,组织模拟与实验结果较为吻合。通过分析螺旋通道中的晶粒竞争生长关系,位于螺旋通道内侧和上部的晶粒更具有位置优势,容易被选晶器选出。     

DD6合金定向凝固选晶器的数值模拟与实验研究

使用有限元数值模拟和实验方法对DD6合金选晶器定向凝固过程的温度影响、晶粒组织以及晶粒生长进行了研究,结果表明温度场模拟与选晶器定向凝固过程的温度变化基本相符,晶粒组织生长的模拟能够反映晶粒竞争生长实际情况,与实验试样基本相一致。由于取向与温度梯度不一致晶粒的位置被取代,使得引晶段中的晶粒平均半径随着高度增加而增大,晶粒密度不断减少,两者有负指数关系。对比了螺旋段不同高度截面EBSD晶粒取向实验成像与晶粒模拟结果,组织模拟与实验结果较为吻合。通过分析螺旋通道中的晶粒竞争生长关系,位于螺旋通道内侧和上部的晶粒更具有位置优势,容易被选晶器选出。     

γFe→αFe等温相变晶粒连续形核长大的遗传算法

建立了γFe→αFe等温相变晶粒连续形核长大模拟的物理模型,确立了相变晶粒形核和长大规则,引入遗传算法模拟了相变晶粒连续形核长大的组织演化过程.晶界迁移轨迹符合晶粒长大理论;系统自由能△G数据表明,新晶粒从系统热力学角度上能长大;组织转变动力学符合Avrami方程,指数n在1.9～2.3变化:相变结束时晶粒平均半径(面积)分布具有Weibull函数形式,5～7边数晶粒数目最多,余次之;新相或初始组织晶粒的平均边数呈现先增加到最大值后下降分别趋于6或归零,两相晶粒平均半径r呈现持续增长、趋于稳定或单调下降后归零.各边数的新相晶粒半径ri随其边数增加而变大;随着模拟步数增加,初始组织各边数晶粒平均半径单调下降,并按低边数向高边数顺序消失.     

AZ31镁合金循环热处理研究及对扩散连接的探讨

对AZ31镁合金的循环热处理进行了研究,在275℃～325℃的范围内进行了试验,分析了晶粒细化的机制,得出了在275℃二次循环晶粒尺寸最小的结构.在300℃、325℃时,在一次热处理时,晶粒尺寸得到了细化,组织较原始组织均匀,但二次、三次循环晶粒尺寸变化不大,并且有长大的趋势.同时探讨了细小晶粒对扩散连接实验的影响.     

织构诱发异常晶粒长大的Monte Carlo模拟

利用欧拉角表示晶粒取向的Monte Carlo方法,模拟了异常晶粒长大过程。通过Voronoi模型产生了晶粒尺寸近似符合Lognormal分布且具有立方织构的初始组织,比较了该组织中不同织构半峰宽和体积分数对晶粒长大过程的影响。模拟结果表明:随着半峰宽变大,异常晶粒长大可能性和平均晶粒尺寸都变大;织构体积分数对异常晶粒长大的影响相对较小,只在半峰宽较小且体积分数很大时,才抑制异常晶粒长大,模拟结果与实验吻合。另外,模拟组织中平均晶粒长大速度不仅受到晶界迁移率的影响,而且受到异常晶粒长大数量的影响。     

纯铁退火组织中特大晶粒三维拓扑与取向特征的定量研究

联合采用系列截面法和EBSD技术对含有特大晶粒的工业纯铁退火组织进行了三维重建和定量表征研究,重点分析了特大晶粒与普通晶粒之间的差异。三维重构的纯铁样品尺度为1920 μm×1219 μm×720 μm,包含12354个晶粒(其中有5个完整特大晶粒)。与以往三维重建的无晶体学取向信息的晶粒组织不同,本文三维重建的晶粒组织同时含有晶粒的三维几何形态信息和晶体学取向信息。研究结果表明,所研究的特大晶粒具有的界面个数为128~669(即最大晶粒同时具有高达669个邻接晶粒),其与相邻晶粒之间的平均取向差以及位于40°~55°区间的晶粒取向差明显大于普通晶粒之间的取向差。     

淬火温度对低合金耐蚀27CrMo48VNb钢油井管组织的影响

通过系列温度淬火试验对低合金耐蚀27CrMo48VNb钢油井管进行热处理,并采用光学显微镜和透射电镜对不同温度淬火后组织、原奥氏体晶粒以及析出相进行了观察,研究了淬火温度对试验钢组织、晶粒尺寸和析出相的影响。结果表明,试验钢淬火后形成了马氏体组织。随着淬火温度升高,淬火后马氏体组织和原奥氏体晶粒尺寸逐渐增加。当淬火温度为890~1000 ℃时,随着淬火温度升高,晶粒尺寸增加较小;当淬火温度超过1000 ℃时,随着淬火温度升高,原奥氏体晶粒显著粗化。组织和原奥氏体晶粒尺寸随淬火温度的变化趋势与高温析出相溶解析出行为有关。试验钢的淬火温度应控制在890~1000 ℃。     

大型复杂钛合金铸件组织分布规律研究

针对航空发动机用大型复杂钛合金铸件的组织和性能评估问题,通过分析铸件各区组织分布及异常晶粒存在情况,研究了影响铸件组织的关键因素,完成了对某航空发动机用钛合金大型机匣铸件的组织分布规律分析。结果表明,铸件晶粒尺寸的分布范围为44～7 660μm,约82%的晶粒尺寸处于1 650μm以内。随着铸件壁厚增加,各区的晶粒尺寸均值、晶粒尺寸分布半高宽均呈近对数增加趋势。铸件的壁厚、结构特征、靠近浇道位置、凝固顺序都会影响铸件的凝固,其中壁厚的影响最为显著。     

β相区锻造变形量对TC1钛合金板坯组织和性能的影响

通过增加β相区锻造变形量研究了TC1钛合金板坯组织和性能的变化,用金相显微镜观察了微观组织,并测试了力学性能。结果表明:增加β相区锻造变形量后,TC1板坯的心部晶粒尺寸及组织均匀性改善较明显;并使板坯各部位晶粒破碎更加充分,长条状α晶粒被破碎成近似等轴状的晶粒,整板的组织均匀性更高。由于晶粒的细化及组织的均匀性提高,使TC1板坯的力学性能及均匀程度均提高。