静态再结晶过程的元胞自动机模拟（I）——微观组织演化和动力学研究

采用正六边形网格划分法、最近邻邻居关系及周期性边界条件的二维元胞自动机（CA）法,建立了热加工过程中静态再结晶的微观组织演化模型。在此基础上分析了形变组织和微观结构的演化,以及再结晶动力学和储存能的变化情况。结果表明：变形程度越大,形变组织的晶粒形态越偏离等轴状。模型可动态的再现再结晶过程中的微观组织演变,晶粒形态、晶粒尺寸符合静态再结晶基本规律。模拟得到的动力学符合JMAK理论。Avrami曲线的斜率在2．5左右。随着变形程度的增加,储存能降低的速度加快,完成静态再结晶所需的时间缩短。此规律满足能量降低准则。充分表明本模型能够较好的模拟静态再结晶过程。     

相场方法模拟AZ31镁合金的静态再结晶过程

为了获得合金静态再结晶前的变形晶粒组织,应用网格畸变模型与相场模型结合,生成变形合金再结晶前的初始晶粒组织;针对合金不同变形区域的特征和体系储存能分布不均匀的特点,分别引入反映不同变形区域的储存能分布的权重因子和变形区域的特征状态因子,构造多状态的非均匀自由能密度函数.在此基础上,应用相场动力学方程模拟了AZ31镁合金的静态再结晶过程的微结构演化,系统地分析了再结晶转变动力学曲线和Avrami曲线,以及储存能释放规律和再结晶晶粒尺度分布.模拟得到的动力学规律符合JMAK理论,所得的Avrami曲线可近似看成一条直线,对应于真应变ε=0.25,0.50,0.75和1.00,该直线的平均斜率分别为2.45,2.35,2.19和2.15.Avrami时间指数随变形量的增加而降低.变形程度大的合金,储存能释放的速度快,完成静态再结晶所需的时间短.基于本文提出的模型,结合相场方法计算模拟所得的结果与已有的理论结果和实验结果符合良好.     

元胞自动机模拟形变组织的网格映射模型

文章采用正六边形网格划分法、最近邻邻居关系以及周期性边界条件的元胞自动机方法,获得等轴的母相微观组织。在此基础上建立网格映射模型,模拟得到静态再结晶前的形变组织以及动态再结晶过程中的形变组织,并与实验结果进行对比。结果表明,模型计算得到的尺寸误差较小,能够满足尺寸精度的要求。模拟得到微观组织随着应变的增加,晶粒形态沿变形方向伸长。应变越大,晶粒伸长的程度也越大。在大的应变量下,等轴的微观结构演变成纤维组织。模拟结果与实验结果符合较好,表明本模型能够用于模拟材料的形变组织。     

大型冷轧辊Cr5钢的静态再结晶行为及其动力学模型

为了研究冷轧辊Cr5钢在不同形变条件下的静态再结晶行为,利用热模拟试验机Gleebel-1500D进行了双道次热压缩试验。探讨了变形温度、变形程度、应变速率和初始奥氏体晶粒尺寸在不同间隔时间内对其静态再结晶行为的影响。结果表明:变形程度、应变速率对静态再结晶体积分数影响最大,变形温度次之,初始奥氏体晶粒尺寸影响较小。对于微观组织演化,变形温度和初始奥氏体晶粒尺寸对其影响最大,变形程度和应变速率影响较小。依据试验结果,建立Cr5钢的静态再结晶动力学模型,通过模型预测结果和试验结果比对得到其相关系数达到了0.9895,表明两者有较高的契合度。     

GCr15钢双道次热变形过程的元胞自动机模拟

建立了一类双道次热变形过程的二维元胞自动机模型。模型综合考虑了热变形过程涉及的动态再结晶、静态回复、静态再结晶、亚动态再结晶和晶粒长大等单个的物理现象。利用模型对GCr15钢的双道次热压缩过程进行了模拟,讨论了变形温度、应变速率、初始晶粒尺寸、第一道次变形量以及道次间隔时间对微观组织演变、流变应力行为和再结晶动力学的影响。将模拟结果和已获得的实验结果进行比较,吻合较好。     

变形合金的亚晶组织演化的相场模型

将多态相场(MSPF)模型与品格畸变模型结合,根据合金的储存能分布,应用于亚晶组织的演化研究.通过构造变形晶粒的初始亚晶组织,计算模拟再结晶过程中亚晶通过合并与吞噬机制进行长大的微观演化过程,系统研究了变形量对亚晶尺寸分布和亚晶长大速率的影响.结果表明,在储存能较高的区域(如晶界附近处),亚晶较细小,分布较密集;再结晶过程中,亚晶密度高的区域最先出现亚晶合并和吞噬现象,并通过该机制使再结晶晶粒形核和长大;而在变形晶粒内部,亚晶分布较均匀且数量密度低,尺寸较大,亚晶合并长大的速率较慢.再结晶晶粒尺寸权重概率分布表明,变形量大的合金,晶粒尺寸较快地变大,完成再结晶的时间较短,而变形量较小的合金,晶粒尺寸变化较慢,再结晶完成的时间较长.亚晶组织演化的模拟结果与实验结果相符.     

多向锻造纯钨形变储存能及动态再结晶行为分析

对纯钨烧结体进行多向锻造试验,运用OM和DSC分析了纯钨多向锻造组织演化规律及形变储存能的变化,结合XRD、EBSD对纯钨形变储存能的来源及动态再结晶行为进行了研究。结果表明:多向锻造后纯钨内部孔隙明显减少,热变形过程中的动态再结晶导致晶粒显著细化,变形后保留在晶粒及亚晶内部的高密度位错结构导致形变储存能的增加,再结晶晶粒主要沿能量较高的晶界及晶界交汇处分布,其动态再结晶机制为形变诱导晶界迁移机制与亚晶粗化及晶粒机械破碎的混合机制,多向锻造后纯钨再结晶温度基本不变,材料热稳定性有所提高。     

新的单参数动态再结晶动力学建模及晶粒尺寸预测

通过引入动态再结晶的演化速率,分析了基于Avrami方程的经典动态再结晶动力学模型的不足.提出了一种新的具有单参数的动态再结晶动力学模型,反映了动态再结晶过程缓慢快速缓慢的特点.采用Gleeble-1500热模拟试验机,对典型的具有动态再结晶特性的材料镁合金AZ31B进行了热压缩实验,通过进行参数回归得到了其动态再结晶动力学模型,并与实验结果相对比,验证了该模型的正确性.进一步将稳态变形条件下获得的微观组织演化模型改写成分步叠加形式.与动态再结晶晶粒尺寸模型相结合,应用到非隐态条件的晶粒预测,模拟与实验的对比表明计算结果和定量金相法所获得的结果基本一致,说明了非稳态变形过晶粒的叠加预测方法的合理性.     

应变速率对金属动态再结晶影响的数值模拟

采用元胞自动机方法建立了多晶金属材料塑性加工过程动态再结晶的二维模型,模拟了动态回复、位错密度变化和动态再结晶的微观结构演化等一系列过程。利用该模型可得到晶粒形态及晶粒的取向和大小,模拟结果很好地描述了动态再结晶的生长动力学特征,并动态地再现了实验方法观察到的动态再结晶的微观组织特征。在该模型的基础上,分析了应变速率对动态再结晶过程,以及动态再结晶晶粒尺寸的影响。     

X70HD抗大变形管线钢的静态再结晶行为

利用Gleeble-3500热模拟试验机对X70HD抗大变形管线钢进行了不同变形条件下的双道次热压缩实验,研究了不同形变条件对X70HD抗大变形管线钢静态再结晶行为的影响。根据实验结果计算得到了此材料的静态再结晶的激活能,建立了具有较高精度的静态再结晶动力学模型。结果表明:X70HD抗大变形管线钢静态再结晶行为受到变形速率、变形量、变形温度等参数的影响较大,而受材料初始晶粒尺寸的影响较小,并随着间隔时间的增大软化程度加大,静态再结晶分数升高。     

Hastelloy C276高温合金热加工微观组织演化元胞自动机模拟

采用Gleeble热模拟试验机对Ni-Cr-Mo系高温合金Hastelloy C276进行单道次和双道次热压缩试验,获得了不同热变形条件下的流变应力曲线和微观组织,在此基础上回归了该合金热变形物理冶金模型及参数,进而构建了微观组织拓扑演化的元胞自动机模型。结果表明:Hastelloy C276高温合金在高温热压缩过程中易发生动态再结晶,当动态再结晶不完全时,在热压缩保温或道次间歇内,再结晶晶粒将进一步快速生长而发生亚动态再结晶。Hastelloy C276高温合金再结晶行为对变形温度、变形速率、应变量等工艺参数敏感;构建的元胞自动机模型,集成计算了热压缩和道次间歇过程中的位错密度、再结晶形核及晶界迁移等,可有效表征多工艺参数下Hastelloy C276高温合金热压缩过程中的微观组织拓扑结构演化和应力-应变响应。     

A Study on the Recrystallization Behavior of Ni-Based Alloy G3 During Hot Deformation

An integrated microstructure evolution model of thermomechanical processing was developed in terms of dynamic recrystallization (DRX), post-dynamic recrystallization (PDRX) and grain growth. Hot compression tests were carried out on a Gleeble-1500 thermal simulator under different conditions to model DRX, PDRX and short-time grain growth during the post-deformation and cooling process. Furthermore, in combination with the established microstructure evolution models, an elastic–plastic finite element model was built using DEFORM-2D software to simulate the microstructure evolution during the hot extrusion process. The simulation result was compared with the microstructure of a hot-extruded pipe of alloy G3 manufactured in a factory. The simulation results agree well with the experimental ones, validating the accuracy of the established microstructure evolution model. Furthermore, the finite element simulation is an effective method for hot deformation analysis, which can provide theoretical guidance for the optimization manufacturing parameters.     

元胞自动机在研究模锻叶片动态再结晶中的应用

利用元胞自动机模型研究金属热成形过程中动态回复与再结晶现象,是目前业界关注的热点之一。文章介绍了元胞自动机模型的理论基础和工作原理,并根据叶片模锻成形的特点,综合考虑应变速率、变形温度对再结晶形核率与平均晶粒尺寸,以及终锻冷却对叶片锻件最终组织的影响,在DEFORM-3D平台上,成功地仿真了叶片模锻过程中的微观组织演变,得到了同经典理论分析和物理实验结果吻合较好的动态再结晶动力学特征。     

一种ELC-BH钢板退火组织演变的Monte Carlo模拟

基于Monte Carlo方法所建立的退火模型,以一种含Nb的冷轧超低碳高强度烘烤硬化钢板(简称ELC-BH钢板)为研究对象,进行了退火组织演变的模拟和实验研究。结果表明:模拟结果较好地反映了ELC-BH实验板退火组织演变过程,特别是展示了回复阶段再结晶孕育期,证实了该模型的合理性和实用性;考虑升温、亚晶形成、析出相粒子等影响来进一步改进模型,可改善其实用效果。     

Microstructural evolution in adiabatic shear bands in Ta and Ta–W alloys

Microstructural evolution of adiabatic shear bands originated due to high strain, high strain rate deformation in Ta and Ta–W alloys has been examined. Tests were performed using a specially designed stepped specimen in a Hopkinson bar. Upon completion of the deformation, the region is cooled to below one half of the temperature achieved during adiabatic heating in less than one millisecond. Microstructural characterization of the shear bands was performed using optical microscopy as well as scanning and transmission electron microscopy. No evidence of recrystallization within the shear bands could be found. This is in contradiction with several recent reports, which claim that recrystallization may take place at these stringent time and temperature conditions. These studies, however, do not take into account the kinetics of boundary refinement processes, which are a distinctive characteristic of a recrystallized microstructure. It will be shown that the absence of recrystallization in Ta and Ta–W adiabatic shear bands can be predicted by a progressive subgrain misorientation (PriSM) recrystallization model, applied successfully in previous studies to predict the microstructure evolution in copper adiabatic shear bands.     

形变诱导Inconel 625合金管材静态再结晶行为

使用室温压缩变形与再结晶退火处理研究了Inconel 625高温合金冷变形及再结晶行为,采用EBSD技术分析冷变形过程中的应变分布、晶粒尺寸变化、组织与织构演变,分析冷变形Inconel 625合金再结晶过程中再结晶分数、晶粒尺寸、组织及织构演变。研究表明,Inconel 625合金在变形量为35%~65%时具有良好的塑性,随着变形量的增加,晶粒尺寸减小,应变分布越均匀,{111}<112>织构和{110}<001>织构逐渐减弱,而{001}<110>织构和{112}<111>织构略为增强。冷变形Inconel 625合金再结晶退火处理后,随着退火温度与保温时间的升高,再结晶分数增大;随着变形量的增大,Inconel 625合金发生完全再结晶时温度减小,且发生完全再结晶时的晶粒尺寸变小,变形量为35%时,再结晶过程主要是{112}<111>织构{123}<634>变形织构转变为{110}<112>织构、{001}<100>织构与{124}<211>织构。随着变形量增加到50%及65%时,冷变形产生的{123}<634>织构在再结晶过程中转变成了{124}<211>织构。     

GH4169合金楔横轧微观组织演变及动态再结晶机制

采用金相显微镜和电子背散射衍射(EBSD)技术分析了楔横轧制备的GH4169合金轧件的微观组织演变和动态再结晶机制;利用数值分析方法获得了楔横轧过程中等效应变、应变速率和温度的相互关系和变化规律,并探讨对楔横轧GH4169合金动态再结晶的影响。结果表明,楔横轧的变形特点是导致GH4169合金组织均匀和动态再结晶机制不同的主要原因,较大的断面收缩率有利于组织均匀化;轧件表面以非连续动态再结晶机制为主,而心部以连续动态再结晶机制为主。     

Numerical simulation and experimental verification of microstructure evolution in a three-dimensional hot upsetting process

The hot compression tests of 42CrMo steel were performed in the temperature range of 850–1150 °C at strain rates of 0.01–10 s^?1 and deformation degrees of 10–60% on Gleeble-1500 thermo-simulation machine. The optical microstructures in the center region of the section plane were examined. Based on the results from thermo-simulation experiments and metallographic analysis, the dynamic recrystallization mathematical models of 42CrMo steel were derived. The effects of processing parameters, including the strain rate and deformation temperature, on the microstructure evolution of 42CrMo steel hot upsetting process were discussed by integrating the thermo-mechanical coupled finite element method with the derived microstructure evolution models. The fraction of dynamic recrystallization and dynamic recrystallization grain sizes during the hot upsetting process of 42CrMo steel were predicted. The results show that the effects of strain rates and deformation temperatures on the microstructure evolution of 42CrMo steel hot upsetting process are significant, and a good agreement between the predicted and experimental results was obtained, which confirmed that the derived dynamic recrystallization mathematical models can be successfully incorporated into the finite element model to predict the microstructure evolution of hot upsetting process for 42CrMo steel.