熱鍛非連續(xù)變形過程微觀組織演變的元胞自動機模擬.pdf

1、金屬的微觀組織是決定其宏觀力學性能的主要因素，在熱鍛過程中，金屬的微觀組織會發(fā)生動態(tài)回復、動態(tài)再結晶、靜態(tài)回復和靜態(tài)再結晶等一系列變化，形成新的晶粒。在材料成分一定的條件下，影響晶粒演化的外部因素是溫度、應變和應變速率。因此，如何通過控制熱鍛成形中的溫度、變形量和變形速度，來達到控制微觀組織及產(chǎn)品力學性能的目的，近年來已成為熱鍛成形中的熱點研究問題，在大鍛件成形中尤其如此，乃至于成性的重要性遠大于成形。通過一定條件下的物理實驗實測結果，

2、建立微觀組織演變的唯象數(shù)學模型，進而用來預報熱成形過程的微觀組織演變，是目前熱鍛成形中的常用研究方法，但這種研究思路只適用于變形比較簡單、變形次數(shù)少的熱成形過程。大鍛件的成形一般是多個道次，每個道次包含多次壓下，屬于增量成形過程。每次壓下中和相鄰兩次壓下之間鍛件可能發(fā)生完全或不完全動態(tài)再結晶、亞動態(tài)再結晶和靜態(tài)再結晶，部分晶粒得到細化，應變能降低或消失，而未發(fā)生再結晶的晶粒則仍然保留高應變能，這種變形能的差異導致在隨后的變形中再結晶驅動

3、力不同，微觀組織演變非常復雜，依靠實驗方法建立的唯象組織演變模型已無法描述這樣復雜的晶粒演變過程。本論文以典型能源大鍛件材料為研究對象，探討更能反映物理本質的微觀組織演變建模方法。實際上，材料的位錯密度是聯(lián)系宏觀變形過程與微觀組織演變之間的橋梁，變形導致材料的位錯密度增加，當位錯能增加到一定程度時將導致再結晶發(fā)生，再結晶后的晶粒位錯密度急劇降低，并在新的變形中再逐步累積和循環(huán)。根據(jù)“應變-位錯密度-再結晶-流變應力”之間的宏微觀相互影響

4、規(guī)律，本文旨在建立包含“變形-回復-動態(tài)再結晶-亞動態(tài)再結晶和靜態(tài)再結晶”各過程在內(nèi)的微觀組織演變元胞自動機(Cellular Automaton，CA)模擬方法，并與熱成形過程宏觀有限元模擬相結合，實現(xiàn)大鍛件成形過程微觀組織演變的預報。為此開展了以下主要研究工作：
　　在Gleeble-3500熱模擬實驗機上，對典型大鍛件材料進行了等溫壓縮實驗。研究了不同應變速率和變形溫度條件下材料流變規(guī)律與動態(tài)再結晶行為；根據(jù)經(jīng)典應力-位錯關

5、系和動態(tài)再結晶動力學方程，分別對加工硬化-動態(tài)回復和動態(tài)再結晶兩階段建立了流變應力模型；同時從實驗獲得的高溫流變應力曲線中提取了建立CA模型所需的材料特性參數(shù)。
　　基于晶粒長大的熱力學機制、曲率驅動機制和能量耗散機制，制定了能夠反映晶粒長大物理機制的元胞轉變規(guī)則，建立了模擬晶粒正常長大的CA模型。采用該模型模擬了高溫奧氏體化晶粒正常長大過程，分析了晶粒正常長大過程CA模擬結果的形態(tài)學、動力學和拓撲學等典型特征。
　　基于位

6、錯驅動的形核條件和晶粒長大動力學理論，建立了模擬動態(tài)再結晶過程的CA模型(DRX-CA Model)。DRX-CA模型綜合考慮了位錯密度的演變、再結晶形核及晶粒長大等一系列過程，同時考慮了合金元素及第二相粒子對再結晶的影響。應用所建立的DRX-CA模型預測了典型大鍛件材料30Cr2Ni4MoV低壓轉子鋼在不同應變、變形溫度、應變速率和初始晶粒尺寸條件下動態(tài)再結晶行為，檢驗了DRX-CA模型對典型實驗特征的預測能力。
　　為了反映晶

7、粒形狀變化對再結晶形核與晶粒長大的影響，建立了包含晶粒拓撲變形技術在內(nèi)的CA模型。該模型采用既相互關聯(lián)又各自獨立的兩套坐標系，即物質坐標系和元胞坐標系，來描述材料動態(tài)變形中的再結晶形核與晶粒長大過程。其中物質坐標系用于描述晶粒的變形，晶粒形狀及尺寸隨著應變的發(fā)展而發(fā)生改變；元胞坐標系用于描述晶粒的形核和長大，元胞尺寸不發(fā)生改變，同時其轉變規(guī)則也與不變形時相同，從而保證了新晶粒的等軸長大。通過對比采用晶粒拓撲變形技術的CA模擬結果、傳統(tǒng)C

8、A方法的模擬結果和金相實驗結果，檢驗了包含晶粒拓撲變形技術的CA模型描述晶粒演化的準確性。
　　建立了包含動態(tài)再結晶、亞動態(tài)再結晶和靜態(tài)再結晶的多次非連續(xù)熱變形過程的微觀組織演變CA模擬模型，該模型以位錯密度為基本變量。通過追蹤非連續(xù)熱變形過程中元胞內(nèi)位錯密度的變化，模擬復雜再結晶過程中微觀組織的演變。采用該方法對典型大鍛件材料30Cr2Ni4MoV低壓轉子鋼四個道次熱壓縮過程微觀組織演變進行了模擬。在此基礎上，將有限元計算與CA

9、模擬方法相集成，定義了CA計算時宏觀熱變形參數(shù)的更新規(guī)則，通過軟件用戶子程序開發(fā)，建立了預報熱鍛非連續(xù)熱變形微觀組織演變的多尺度數(shù)字化仿真系統(tǒng)，對典型大鍛件成形工藝-多道次平砧拔長宏觀物理場量和微觀組織演變進行了多尺度數(shù)字化仿真，模擬結果對鍛造工藝的優(yōu)化提供了指導。
　　研究結果表明，CA模擬結果比較準確地再現(xiàn)了溫度、應變和初始晶粒度對晶粒演化過程的影響規(guī)律，CA模擬給出的晶粒尺寸及形貌與金相實驗結果接近一致，根據(jù)CA模擬得到的位