金屬組織轉變與變形的相場與晶體塑性模擬及其耦合模型.pdf

1、材料的變形過程在很大程度上受其內部狀態(tài)的影響，例如相的分布、晶粒形態(tài)和取向等，而這些內部狀態(tài)又受變形過程的影響。因此開展組織演化規(guī)律的研究、晶體變形過程的研究，特別是兩者耦合機制的研究是很有必要的。而通過數值模擬的手段可以得到更多試驗手段所無法獲得的信息。本文首先采用相場方法對幾種常見的組織演化過程，包括擴散相變和結構相變，以及應力作用下位錯的運動進行了模擬，而后采用晶體塑性模型對金屬多晶體的塑性變形過程進行了模擬，并對網格參數對計算結

2、果的影響進行了討論，最后建立了組織演化和晶體變形的耦合有限元計算模型。
　　在采用相場方法模擬材料組織演化方面，本文首先建立了微磁學和相場方法的耦合模型用以研究磁性合金在外磁場作用下的調幅分解過程。結果顯示，外磁場可使分解組織發(fā)生沿磁場方向的伸長，通過改變外磁場的方向可對分解組織的形貌進行控制；建立了三種不同的各向異性梯度能計算模型，所建立的梯度能計算模型能方便地對二維多邊形及三維多邊形盤狀或棒狀析出相進行模擬；其次建立了一個再結

3、晶的相場模型，該模型中再結晶趨向于在晶界處優(yōu)先形核，隨溫度及形變儲能的升高晶內相對形核率增加。再結晶晶粒生長速率的平方與變形儲能呈線性關系。該模型亦可用于含有第二相顆粒的情況，結果表明第二相顆粒能夠促進再結晶形核，但是卻對再結晶晶粒界面的推移具有明顯的釘扎作用；最后建立了相場位錯模型的計算模塊，并對位錯的滑移和增殖、位錯交滑移、位錯反應及位錯與第二相顆粒的交互作用等進行了模擬，模擬結果與經典位錯理論一致。
　　在采用晶體塑性模型模

4、擬金屬多晶體材料變形的方面，本文首先建立了多晶集合體的結構生成及相應的網格劃分算法。所建立的算法可方便地生成多種晶粒形貌并按照所提供的網格參數進行網格的自動劃分。該算法在含有大量晶粒的情況下尤其方便；而后采用自主編寫的晶體塑性計算程序考察了網格參數對金屬多晶體塑性變形模擬結果的影響。結果表明，對應于不同的研究尺度，晶體塑性模擬有不同的要求。在預測多晶體的整體應力應變時，考慮到結果的可靠性，集合體中應至少含有500個以上晶粒，此時模擬得到

5、的整體應力與實際值偏差不超過5％；對應于晶間變形非均勻性，則需要平均在每個晶粒內分配5個C3D20R單元；對應于晶粒的平均應力應變，則晶粒平均單元數應在30以上；而若需要進一步得到每個晶粒內變形的非均勻性，則晶粒平均單元數在60以上是必須的；最后，對純鋁多晶體變形過程的模擬表明，在變形過程中，各晶粒的取向逐漸發(fā)生轉動。在多晶體的變形過程中，由于相鄰晶粒間的相互作用，同一晶粒內不同區(qū)域的變形存在明顯的差別，尤其在晶界附近，由于晶界兩側取向