金属组织转变与变形的相场与晶体塑性模拟及其耦合模型

摘要

材料的变形过程在很大程度上受其内部状态的影响，例如相的分布、晶粒形态和取向等，而这些内部状态又受变形过程的影响。因此开展组织演化规律的研究、晶体变形过程的研究，特别是两者耦合机制的研究是很有必要的。而通过数值模拟的手段可以得到更多试验手段所无法获得的信息。本文首先采用相场方法对几种常见的组织演化过程，包括扩散相变和结构相变，以及应力作用下位错的运动进行了模拟，而后采用晶体塑性模型对金属多晶体的塑性变形过程进行了模拟，并对网格参数对计算结果的影响进行了讨论，最后建立了组织演化和晶体变形的耦合有限元计算模型。
　　在采用相场方法模拟材料组织演化方面，本文首先建立了微磁学和相场方法的耦合模型用以研究磁性合金在外磁场作用下的调幅分解过程。结果显示，外磁场可使分解组织发生沿磁场方向的伸长，通过改变外磁场的方向可对分解组织的形貌进行控制；建立了三种不同的各向异性梯度能计算模型，所建立的梯度能计算模型能方便地对二维多边形及三维多边形盘状或棒状析出相进行模拟；其次建立了一个再结晶的相场模型，该模型中再结晶趋向于在晶界处优先形核，随温度及形变储能的升高晶内相对形核率增加。再结晶晶粒生长速率的平方与变形储能呈线性关系。该模型亦可用于含有第二相颗粒的情况，结果表明第二相颗粒能够促进再结晶形核，但是却对再结晶晶粒界面的推移具有明显的钉扎作用；最后建立了相场位错模型的计算模块，并对位错的滑移和增殖、位错交滑移、位错反应及位错与第二相颗粒的交互作用等进行了模拟，模拟结果与经典位错理论一致。
　　在采用晶体塑性模型模拟金属多晶体材料变形的方面，本文首先建立了多晶集合体的结构生成及相应的网格划分算法。所建立的算法可方便地生成多种晶粒形貌并按照所提供的网格参数进行网格的自动划分。该算法在含有大量晶粒的情况下尤其方便；而后采用自主编写的晶体塑性计算程序考察了网格参数对金属多晶体塑性变形模拟结果的影响。结果表明，对应于不同的研究尺度，晶体塑性模拟有不同的要求。在预测多晶体的整体应力应变时，考虑到结果的可靠性，集合体中应至少含有500个以上晶粒，此时模拟得到的整体应力与实际值偏差不超过5％；对应于晶间变形非均匀性，则需要平均在每个晶粒内分配5个C3D20R单元；对应于晶粒的平均应力应变，则晶粒平均单元数应在30以上；而若需要进一步得到每个晶粒内变形的非均匀性，则晶粒平均单元数在60以上是必须的；最后，对纯铝多晶体变形过程的模拟表明，在变形过程中，各晶粒的取向逐渐发生转动。在多晶体的变形过程中，由于相邻晶粒间的相互作用，同一晶粒内不同区域的变形存在明显的差别，尤其在晶界附近，由于晶界两侧取向的非连续性，晶界附近存在明显的应力集中，晶粒附近的应力集中使得晶界附近的位错提前开动，进而向晶内扩展。
　　在以上两部分内容的基础上建立了组织转变与晶体变形的耦合有限元模型，包括无组织转变伴随的情况、伴随有扩散相变的晶体变形、伴随有结构相变的晶体变形以及伴随有多相转变过程的晶体变形等情况。特别的由于位错演化可作为特殊的结构转变进行处理，因此利用所建立的模型，可在满足变形约束条件的前提下对位错的演化及其与其它相的相互作用进行模拟。

目录

金属组织转变与变形的相场与晶体塑性模拟及其耦合模型

PHASE FIELD AND CRYSTAL PLASTICITYSIMULATIONS AND RELATED COUPLEDMODELS OF MICROSTRUCTURE CHANGE ANDDEFORMATION IN METALS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1 章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 晶体塑性模拟的研究现状

1.2.1 连续晶体塑性模拟的研究现状

1.2.2 位错晶体塑性模拟的研究现状

1.2.3 晶体塑性变形多尺度模拟的研究现状

1.3 位错组态模拟的研究现状

1.4 再结晶等变形相关组织的模拟现状

1.5 本文的主要目的和研究内容

第2 章 组织演化的连续相场模拟

2.1 模型及算法

2.1.1 体自由能

2.1.2 梯度能

2.1.3 弹性能

2.1.4 一般坐标系

2.1.5 相场方程的求解

2.2 长程扩散相变的相场模拟

2.2.1 外磁场下调幅分解过程的相场模拟

2.2.2 各向异性界面能析出的相场模拟

2.3 再结晶过程的相场模拟

2.3.1 再结晶相场模型

2.3.2 相场方程的无量纲化

2.3.3 单个再结晶晶粒生长的模拟

2.3.4 模型参数的物理化

2.3.5 多晶体再结晶过程的相场模拟

2.3.6 再结晶相场模型的进一步完善

2.4 位错演化的相场模拟

2.4.1 位错相场模型中的自由能

2.4.2 位错滑移及位错与第二相交互作用的相场模拟

2.4.3 位错反应的相场模拟

2.5 本章小结

第3 章 面心立方多晶体塑性变形的有限元模拟

3.1 晶体塑性模型及算法

3.1.1 单晶体本构模型

3.1.2 多晶体本构模型

3.1.3 晶体塑性子程序算法及调用过程

3.2 多晶体结构的生成及网格划分

3.2.1 多晶体结构生成算法

3.2.2 六面体/四边形均匀网格的划分算法

3.2.3 四面体/三角形自由网格的划分算法

3.3 计算过程及计算参数的优化

3.3.1 晶体塑性模拟多晶体变形的计算过程

3.3.2 容许误差及步长的优化

3.4 多晶体高纯铝冷变形的晶体塑性模拟

3.4.1 多晶体高纯铝的晶体塑性模型参数

3.4.2 模拟条件对多晶高纯铝拉伸模拟结果的影响

3.4.3 多晶高纯铝的平面应变压缩模拟

3.4.4 多晶高纯铝的冲压模拟

3.5 本章小结

第4 章 组织演化与晶体变形耦合有限元模型及模拟

4.1 无明显相转变伴随时的晶体变形有限元模型

4.2 伴随无扩散型相变的晶体变形耦合有限元模型

4.3 伴随长程扩散相变的晶体变形耦合有限元模型

4.4 伴随多种转变的晶体变形耦合有限元模型

4.5 弹性变形与扩散相变的耦合有限元模拟

4.6 本章小结

结 论

参考文献

附 录

附录A 第3 章两种本构模型的关系

攻读博士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历