二相粒子材料動態(tài)再結(jié)晶行為的元胞自動機(jī)模型及其模擬研究.pdf

1、隨著材料科學(xué)和計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，材料制備科學(xué)正從傳統(tǒng)的正向研究向逆向研究過渡:從材料的組分、微觀組織結(jié)構(gòu)出發(fā)，借助計算機(jī)模擬來設(shè)計工藝和預(yù)測材料性能，以便生產(chǎn)滿足使用要求的材料。材料中存在的第二相粒子主要是加入合金元素以改善性能的產(chǎn)物。其中，隨著合金化和控軋控冷技術(shù)的普遍應(yīng)用，性能優(yōu)越的合金鋼和微合金鋼不斷得到開發(fā)和應(yīng)用。這兩類鋼在熱塑性變形過程中往往會形成一定數(shù)量和尺寸的第二相粒子，進(jìn)而導(dǎo)致了它們的動態(tài)再結(jié)晶行為及其相應(yīng)的微觀組織

2、變化，在很大程度上決定了最終鋼材產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。元胞自動機(jī)(cellular automata,簡稱CA)模型是近年來發(fā)展起來的一種材料組織模擬模型，其算法結(jié)構(gòu)簡單、計算效率高，可直接考察體系局部交互作用及其產(chǎn)生的復(fù)雜行為對模擬系統(tǒng)的影響，在材料晶粒長大、靜態(tài)再結(jié)晶和動態(tài)再結(jié)晶模擬中得到了成功應(yīng)用。但是，在二相粒子材料動態(tài)再結(jié)晶行為模擬中的應(yīng)用還未及時開展，特別是考慮位錯密度非均勻分布的模擬模型也未見報道。構(gòu)建含有第二相的材料

3、動態(tài)再結(jié)晶CA模型不僅可以實現(xiàn)變形溫度、應(yīng)變速率、初始晶粒尺寸、非均勻變形、第二相粒子尺寸和體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)對流變應(yīng)力、再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)、穩(wěn)態(tài)平均晶粒尺寸等動態(tài)再結(jié)晶表征參數(shù)影響的模擬研究，為更好地認(rèn)識和控制熱塑性變形組織以優(yōu)化熱塑性變形工藝提供指導(dǎo)，而且進(jìn)一步挖掘了CA模型的潛力，拓展了其應(yīng)用范圍。因此，及時展開二相粒子材料動態(tài)再結(jié)晶CA建模、模擬技術(shù)開發(fā)及其模擬研究具有重要的理論和實際意義。
　　 文依據(jù)CA法、金屬材料熱變形物

4、理冶金相關(guān)理論和相關(guān)實驗結(jié)果，建立了位錯密度均勻分布及位錯密度非均勻分布的單相材料動態(tài)再結(jié)晶CA模型，隨后引入第二相粒子的影響，創(chuàng)建了位錯密度非均勻分布的二相粒子材料動態(tài)再結(jié)晶CA模型;自主開發(fā)了相關(guān)動態(tài)再結(jié)晶模擬的關(guān)鍵技術(shù);采用Visual Fortran語言編制上述模型的應(yīng)用程序，并通過系統(tǒng)的模擬研究和相關(guān)的實驗研究對所建模型及其模擬關(guān)鍵技術(shù)的合理性和應(yīng)用效果進(jìn)行了檢驗。
　　 首先，依據(jù)熱變形物理冶金學(xué)原理，在變形均勻和位

5、錯密度均勻分布的假設(shè)前提下，建立了具有可靠物理機(jī)制的單相材料元胞自動機(jī)模型及其模擬算法，進(jìn)行了相應(yīng)的應(yīng)用程序開發(fā)，并且以無氧高導(dǎo)電性銅(OFHC)為例，成功地模擬和解釋了動態(tài)再結(jié)晶應(yīng)力-應(yīng)變曲線單峰/多峰現(xiàn)象。
　　 其次，考慮了材料熱塑性變形時晶粒尺寸、晶界和局部缺陷等對位錯運(yùn)動及其分布的影響機(jī)制，提出了位錯密度非均勻分布模型，并據(jù)其建立了新的單相材料動態(tài)再結(jié)晶CA模型。對相同變形條件下HPS485wf鋼的動態(tài)再結(jié)晶仿真結(jié)果比

6、較表明，新模型較原模型更有效地模擬了動態(tài)再結(jié)晶過程，位錯密度非均勻模型更接近實際。應(yīng)用新模型全面、合理地模擬和探討了單一變形參數(shù)對HPS485wf鋼動態(tài)再結(jié)晶行為的影響規(guī)律。
　　 然后，根據(jù)細(xì)小彌散的第二相粒子和大尺寸的第二相粒子對動態(tài)再結(jié)晶行為的影響機(jī)制，在新的單相材料動態(tài)再結(jié)晶CA模型的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建了位錯密度非均勻分布的二相粒子材料動態(tài)再結(jié)晶CA模型。該模型綜合考慮了第二相粒子對位錯密度累積、動態(tài)再結(jié)晶形核及再結(jié)晶晶粒長大

7、的影響，模擬結(jié)果較好地反映了第二相尺寸、體積分?jǐn)?shù)及動態(tài)析出對動態(tài)再結(jié)晶組織演變、動力學(xué)的影響規(guī)律，且經(jīng)受了相關(guān)實驗和理論的有效檢驗。
　　 最后，為了驗證本文創(chuàng)建的二相粒子材料動態(tài)再結(jié)晶CA模型的合理性及其應(yīng)用效果，以典型二相粒子材料Q420qE鋼為研究對象，進(jìn)行了動態(tài)再結(jié)晶過程的熱模擬實驗研究;采用這一模型模擬了該鋼的動態(tài)再結(jié)晶過程，并與熱模擬實驗相應(yīng)結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明:本文所建模型較準(zhǔn)確地模擬了該鋼動態(tài)再結(jié)晶形核位置、