V-10Cr-5Ti合金热变形行为及动态再结晶组织演化模拟

摘要

热加工作为一种常用的塑性成形方法，广泛地应用于铝、铁、钛等合金零件的制备。而动态再结晶（Dynamic recrystallization, DRX）作为热加工中重要的晶粒细化和软化机制，对于材料变形组织控制、塑性成形能力改善和成形工艺（如锻造、挤压、冲压等）优化具有重要的工程应用价值。传统采用的理论与实验的研究方法无法实时定量地获得材料微观组织的演化信息，元胞自动机(Cellular Automaton，CA）因具有作用规则简单，计算高效以及具有真实的物理意义，故被广泛地应用于金属材料动态再结晶过程的组织演化模拟中。V-10Cr-5Ti合金具有良好的抗辐照性能、抗氢脆性、耐热性、可加工性，同时具有强度高和热膨胀性低等优良性能，是核聚变反应堆的候选材料。本研究采用元胞自动机法研究V-10Cr-5Ti合金热变形过程的微观组织演化，探究其DRX行为及工艺参数对显微组织演变规律的影响。
　　通过V-10Cr-5Ti合金的等温热压缩实验获得变形温度950~1350℃、应变速率0.01~10s-1范围内的流动应力曲线，研究了其热塑性流动特点。建立了包含应变的双曲正弦Arrhenius模型，并对模型预测的效果开展了评估，结果表明所建立的本构模型具有良好的预测精度，适用于CA法模拟微观组织演化的研究。
　　构建了CA法基础模型并耦合了材料物理过程的内在规则作用模型，如：热激活原则、晶界迁移、曲率驱动和能量耗散。开发与调试初始化组织程序，生成初始化组织。初始化模拟结果与实验对比，结果发现两者具有较好的一致性，验证所建立的CA模型的准确性与适用性，同时也为后续V-10Cr-5Ti合金DRX研究开展奠定了理论基础。构建了 V-10Cr-5Ti合金热塑性变形过程中的拓扑学模型，对试样的不同变形区进行了验证，结果显示两者吻合良好，同时对不同变形区晶粒的形态学开展了分析。
　　在所建立的位错密度模型、再结晶形核模型、晶粒长大模型和临界位错密度模型的基础上，开发了基于元胞自动机的V-10Cr-5Ti合金DRX过程组织模拟演化的核心程序。利用所建立的模型，实现了对不同工艺参数下显微组织演变的数值模拟，结合显微组织观察，结果表明模拟与实验数据误差较小，说明所建立的CA模型能够较好地适用于V-10Cr-5Ti合金DRX过程组织演化的预测。此外，基于此模型，研究了不同初始晶粒尺寸、变形温度、应变速率以及应变量等参数对V-10Cr-5Ti合金DRX过程的影响，阐明了DRX过程中工艺对组织演化的内在机理。

目录

第1章绪 论

1.1 引言

1.2 研究背景及意义

1.3 元胞自动机在动态再结晶模拟中的研究现状

1.4 动态再结晶模型的研究现状

1.5 V-Cr-Ti系合金DRX研究现状

1.6 课题主要研究内容

第2章 实验材料及研究方法

2.1 实验材料

2.2 实验方法

第3章 V-10Cr-5Ti合金的热变形行为

3.1 引言

3.2 流变应力曲线

3.3 V-10Cr-5Ti本构模型

3.4 热压缩过程中组织演化规律

3.5 本章小结

第4章 元胞自动机原理与初始组织的生成

4.1 引言

4.2 CA的定义及基本特征

4.3 初始组织生成的CA模型

4.4 压缩变形晶粒拓扑变形模型

4.5 本章小结

第5章 V-5Cr-5Ti合金的再结晶行为

5.1 引言

5.2 动态再结晶CA模型的建立

5.3 构建动态再结晶物理模型

5.4 动态再结晶CA模型的实现与验证

5.5 工艺参数对动态再结晶的影响

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

声明

致谢