二相粒子材料動態(tài)再結晶行為的元胞自動機模型及其模擬研究.pdf

1、隨著材料科學和計算機仿真技術的發(fā)展，材料制備科學正從傳統(tǒng)的正向研究向逆向研究過渡:從材料的組分、微觀組織結構出發(fā)，借助計算機模擬來設計工藝和預測材料性能，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的普遍應用，性能優(yōu)越的合金鋼和微合金鋼不斷得到開發(fā)和應用。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，進而導致了它們的動態(tài)再結晶行為及其相應的微觀組織

2、變化，在很大程度上決定了最終鋼材產(chǎn)品的組織結構和力學性能。元胞自動機(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，其算法結構簡單、計算效率高，可直接考察體系局部交互作用及其產(chǎn)生的復雜行為對模擬系統(tǒng)的影響，在材料晶粒長大、靜態(tài)再結晶和動態(tài)再結晶模擬中得到了成功應用。但是，在二相粒子材料動態(tài)再結晶行為模擬中的應用還未及時開展，特別是考慮位錯密度非均勻分布的模擬模型也未見報道。構建含有第二相的材料

3、動態(tài)再結晶CA模型不僅可以實現(xiàn)變形溫度、應變速率、初始晶粒尺寸、非均勻變形、第二相粒子尺寸和體積分數(shù)等參數(shù)對流變應力、再結晶體積分數(shù)、穩(wěn)態(tài)平均晶粒尺寸等動態(tài)再結晶表征參數(shù)影響的模擬研究，為更好地認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，而且進一步挖掘了CA模型的潛力，拓展了其應用范圍。因此，及時展開二相粒子材料動態(tài)再結晶CA建模、模擬技術開發(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、理冶金相關理論和相關實驗結果，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)再結晶CA模型;自主開發(fā)了相關動態(tài)再結晶模擬的關鍵技術;采用Visual Fortran語言編制上述模型的應用程序，并通過系統(tǒng)的模擬研究和相關的實驗研究對所建模型及其模擬關鍵技術的合理性和應用效果進行了檢驗。
　　 首先，依據(jù)熱變形物理冶金學原理，在變形均勻和位

5、錯密度均勻分布的假設前提下，建立了具有可靠物理機制的單相材料元胞自動機模型及其模擬算法，進行了相應的應用程序開發(fā)，并且以無氧高導電性銅(OFHC)為例，成功地模擬和解釋了動態(tài)再結晶應力-應變曲線單峰/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動及其分布的影響機制，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)再結晶CA模型。對相同變形條件下HPS485wf鋼的動態(tài)再結晶仿真結果比

6、較表明，新模型較原模型更有效地模擬了動態(tài)再結晶過程，位錯密度非均勻模型更接近實際。應用新模型全面、合理地模擬和探討了單一變形參數(shù)對HPS485wf鋼動態(tài)再結晶行為的影響規(guī)律。
　　 然后，根據(jù)細小彌散的第二相粒子和大尺寸的第二相粒子對動態(tài)再結晶行為的影響機制，在新的單相材料動態(tài)再結晶CA模型的基礎上，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)再結晶形核及再結晶晶粒長大

7、的影響，模擬結果較好地反映了第二相尺寸、體積分數(shù)及動態(tài)析出對動態(tài)再結晶組織演變、動力學的影響規(guī)律，且經(jīng)受了相關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)再結晶CA模型的合理性及其應用效果，以典型二相粒子材料Q420qE鋼為研究對象，進行了動態(tài)再結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)再結晶過程，并與熱模擬實驗相應結果進行了對比。結果表明:本文所建模型較準確地模擬了該鋼動態(tài)再結晶形核位置、