相场方法研究合金再结晶组织的演化过程

摘要

再结晶及其亚晶晶粒长大是纯金属和合金等多晶材料变形中最普遍的晶粒生长现象。再结晶是一种晶粒软化和细化机制，通过控制变形合金的微观组织，就能提高多晶材料的塑性成形能力和力学性能。再结晶晶粒尺寸作为描述材料微结构的一个重要指标，它的改变显著地影响材料的各种力学性能和机械加工性能。随着计算机技术的快速发展，人们已经能够运用计算机模拟材料再结晶微结构的演化。由于材料再结晶过程极其复杂，特别是再结晶晶界的模拟，而相场方法采用的是晶界弥散化处理，不必跟踪复杂的晶界，因此本文应用具有优势的相场方法研究多晶材料微组织的静态再结晶演化过程和亚晶晶粒长大过程。开展了如下创新工作：
　　 1率先利用网格畸变模型和相场方法结合研究变形合金静态再结晶过程，针对合金的不同变形区域的特征和体系储能分布不均匀特点，分别引入反映不同变形区域的变形区域的特征状态因子和储能分布的权重因子，构造多状态的非均匀自由能密度函数。
　　 2应用相场方法模拟合金在不同变形程度下和不同变形后退火温度下的静态再结晶微组织演化过程，系统的分析了不同真应变下再结晶储能释放规律和再结晶显微组织的晶粒尺寸分布。得到静态再结晶过程中，合金应变量大的具有较大的储存能量，在退火保温时储存能释放速度较快，完成再结晶过程的时间也较短。
　　 3平均晶粒尺寸的变化表明退火过程表现为三个状态：孕育过程、晶粒急速长大过程和晶粒稳定长大过程。从再结晶晶粒尺寸分布图中两个峰值随时间移动和变化，得到随着退火温度的升高，变形合金的晶粒尺寸整体分布粗化，细晶比例不断降低。结果符合实验中连续再结晶特点。
　　 4应用储能模型结合相场方法研究再结晶过程中的亚晶晶粒长大和溶化过程，研究了不同应变量和不同时间下的晶粒数和晶粒尺寸分布曲线。再结晶形核从原晶界处开始，且在原晶界处有大量的较小再结晶亚晶晶粒，而在内部是较大的亚晶晶粒。不同真应变下变形合金具有类似的亚晶晶粒结构，但变形程度大的合金具有相对较高的储能，其完成再结晶亚晶粒长大过程较快。本文的研究成果对指导合金设计有重要的指导意义。