熱鍛非連續(xù)變形過程微觀組織演變的元胞自動機(jī)模擬.pdf

1、金屬的微觀組織是決定其宏觀力學(xué)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(fù)、動態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)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(yīng)變和應(yīng)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(dá)到控制微觀組織及產(chǎn)品力學(xué)性能的目的，近年來已成為熱鍛成形中的熱點(diǎn)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(yuǎn)大于成形。通過一定條件下的物理實(shí)驗(yàn)實(shí)測結(jié)果，

2、建立微觀組織演變的唯象數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而用來預(yù)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(jié)晶、亞動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶，部分晶粒得到細(xì)化，應(yīng)變能降低或消失，而未發(fā)生再結(jié)晶的晶粒則仍然保留高應(yīng)變能，這種變形能的差異導(dǎo)致在隨后的變形中再結(jié)晶驅(qū)動

3、力不同，微觀組織演變非常復(fù)雜，依靠實(shí)驗(yàn)方法建立的唯象組織演變模型已無法描述這樣復(fù)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(zhì)的微觀組織演變建模方法。實(shí)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(dǎo)致材料的位錯密度增加，當(dāng)位錯能增加到一定程度時將導(dǎo)致再結(jié)晶發(fā)生，再結(jié)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(yīng)變-位錯密度-再結(jié)晶-流變應(yīng)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(fù)-動態(tài)再結(jié)晶-亞動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)晶”各過程在內(nèi)的微觀組織演變元胞自動機(jī)(Cellular Automaton，CA)模擬方法，并與熱成形過程宏觀有限元模擬相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)大鍛件成形過程微觀組織演變的預(yù)報。為此開展了以下主要研究工作：
　　在Gleeble-3500熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上，對典型大鍛件材料進(jìn)行了等溫壓縮實(shí)驗(yàn)。研究了不同應(yīng)變速率和變形溫度條件下材料流變規(guī)律與動態(tài)再結(jié)晶行為；根據(jù)經(jīng)典應(yīng)力-位錯關(guān)

5、系和動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)方程，分別對加工硬化-動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶兩階段建立了流變應(yīng)力模型；同時從實(shí)驗(yàn)獲得的高溫流變應(yīng)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(xué)機(jī)制、曲率驅(qū)動機(jī)制和能量耗散機(jī)制，制定了能夠反映晶粒長大物理機(jī)制的元胞轉(zhuǎn)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(jié)果的形態(tài)學(xué)、動力學(xué)和拓?fù)鋵W(xué)等典型特征。
　　基于位

6、錯驅(qū)動的形核條件和晶粒長大動力學(xué)理論，建立了模擬動態(tài)再結(jié)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(jié)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(jié)晶的影響。應(yīng)用所建立的DRX-CA模型預(yù)測了典型大鍛件材料30Cr2Ni4MoV低壓轉(zhuǎn)子鋼在不同應(yīng)變、變形溫度、應(yīng)變速率和初始晶粒尺寸條件下動態(tài)再結(jié)晶行為，檢驗(yàn)了DRX-CA模型對典型實(shí)驗(yàn)特征的預(yù)測能力。
　　為了反映晶

7、粒形狀變化對再結(jié)晶形核與晶粒長大的影響，建立了包含晶粒拓?fù)渥冃渭夹g(shù)在內(nèi)的CA模型。該模型采用既相互關(guān)聯(lián)又各自獨(dú)立的兩套坐標(biāo)系，即物質(zhì)坐標(biāo)系和元胞坐標(biāo)系，來描述材料動態(tài)變形中的再結(jié)晶形核與晶粒長大過程。其中物質(zhì)坐標(biāo)系用于描述晶粒的變形，晶粒形狀及尺寸隨著應(yīng)變的發(fā)展而發(fā)生改變；元胞坐標(biāo)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(zhuǎn)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?fù)渥冃渭夹g(shù)的CA模擬結(jié)果、傳統(tǒng)C

8、A方法的模擬結(jié)果和金相實(shí)驗(yàn)結(jié)果，檢驗(yàn)了包含晶粒拓?fù)渥冃渭夹g(shù)的CA模型描述晶粒演化的準(zhǔn)確性。
　　建立了包含動態(tài)再結(jié)晶、亞動態(tài)再結(jié)晶和靜態(tài)再結(jié)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(fù)雜再結(jié)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(zhuǎn)子鋼四個道次熱壓縮過程微觀組織演變進(jìn)行了模擬。在此基礎(chǔ)上，將有限元計(jì)算與CA

9、模擬方法相集成，定義了CA計(jì)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(yù)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(jìn)行了多尺度數(shù)字化仿真，模擬結(jié)果對鍛造工藝的優(yōu)化提供了指導(dǎo)。
　　研究結(jié)果表明，CA模擬結(jié)果比較準(zhǔn)確地再現(xiàn)了溫度、應(yīng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果接近一致，根據(jù)CA模擬得到的位