金屬組織轉(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(shù)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(jié)構(gòu)相變，以及應(yīng)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(wǎng)格參數(shù)對計算結(jié)

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(xué)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(diào)幅分解過程。結(jié)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(jié)

3、晶的相場模型，該模型中再結(jié)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(nèi)相對形核率增加。再結(jié)晶晶粒生長速率的平方與變形儲能呈線性關(guān)系。該模型亦可用于含有第二相顆粒的情況，結(jié)果表明第二相顆粒能夠促進再結(jié)晶形核，但是卻對再結(jié)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(yīng)及位錯與第二相顆粒的交互作用等進行了模擬，模擬結(jié)果與經(jīng)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(jié)構(gòu)生成及相應(yīng)的網(wǎng)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(wǎng)格參數(shù)進行網(wǎng)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(wǎng)格參數(shù)對金屬多晶體塑性變形模擬結(jié)果的影響。結(jié)果表明，對應(yīng)于不同的研究尺度，晶體塑性模擬有不同的要求。在預(yù)測多晶體的整體應(yīng)力應(yīng)變時，考慮到結(jié)果的可靠性，集合體中應(yīng)至少含有500個以上晶粒，此時模擬得到

5、的整體應(yīng)力與實際值偏差不超過5％；對應(yīng)于晶間變形非均勻性，則需要平均在每個晶粒內(nèi)分配5個C3D20R單元；對應(yīng)于晶粒的平均應(yīng)力應(yīng)變，則晶粒平均單元數(shù)應(yīng)在30以上；而若需要進一步得到每個晶粒內(nèi)變形的非均勻性，則晶粒平均單元數(shù)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(zhuǎn)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(nèi)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(cè)取向