部分微观因素对AZ31镁合金再结晶及晶粒长大影响的模拟研究

摘要

相场模型是建立在Ginzburg-Landau唯象理论上的一种基于经典热力学和动力学理论的物理模型，模型中的部分参数采用唯象处理。在相场法中，通过引入一套与时间和空间有关的场变量对体系的瞬时状态进行描述，为我们提供了有关显微组织变化的信息。
　　本文运用已经改进的相场法模型，根据单相再结晶系统中局域自由能密度函数的表达式，引入成分场变量、储能项等构建了在工业应用范围内模拟真实时空再结晶组织演化的模型，通过改变模型的参数，对影响AZ31镁合金再结晶及晶粒长大过程中的部分微观因素进行了研究。
　　本研究首先通过模拟计算得知，在一定范围内，晶界作用域宽度与自由能密度函数耦合项系数K1值无关，只与有序化参数梯度项系数K2值有关，而且耦合项系数K1值和梯度项系数K2值对界面能都有重要影响，但梯度项系数K2的值对界面能的影响程度更大。
　　接着，本研究考察了储存能微观因素的变化对AZ31镁合金再结晶及晶粒长大过程的影响。模拟结果表明，在一定温度下，AZ31镁合金系统再结晶及晶粒长大过程中晶粒的平均尺寸随储存能的增加而降低，平均生长速度随储存能的增大而减小。当再结晶退火温度由250℃提高到300℃时，储存能对再结晶晶粒长大过程的影响的效果显著增加，当温度由300℃提高到400℃时，储能对再结晶晶粒长大过程影响效果的增加变化很小。
　　同时，本研究还考察了AZ31镁合金系统的界面能微观因素变化对再结晶晶粒长大过程的影响。模拟研究发现，合金系统存在一个等于0.33J/m2的临界界面能值，当界面能大于该临界值时，平均晶粒尺寸、晶粒长大速度均随界面能的增加而显著增大，当界面能小于该临界值时，界面能对再结晶及晶粒长大过程的平均晶粒尺寸影响很小。
　　另外，本文扩展相场法模型使之运用到纳米尺度。利用相场模型模拟研究了纳米结构AZ31镁合金晶粒异常生长规律，尝试提供纳米材料显微组织控制而提高塑韧性的新途径。模拟研究发现，通过控制局域界面能、储存能和界面能动性三个微观因素，可以实现在纳米基体中出现局部的晶粒异常生长，以构造期望的晶粒混合显微组织。此模拟结果说明，如果产生少数特殊取向的初始纳米晶粒含有局部低晶界能、局部高的储存能、或局部高的界面能动性时，可以得到纳米基体中分散少量微米级大晶粒的微观组织，以期望在保持高强度的同时改善纳米材料的韧性。
　　最后，本论文还模拟研究了ZA31镁合金中Al原子扩散微观因素对晶界偏析和晶粒长大的影响。得到如下结论:根据有序化参数模拟出的晶粒显微组织图和根据成分场模拟出的晶粒显微组织图是一致的，表明了局部自由能函数构造的正确性。相场模型中扩散迁移率的取值越大，晶界处Al成分的偏析浓度越高。当扩散迁移率的值取到足够大时，其对再结晶晶粒的平均尺寸影响很小，当扩撒迁移率的值小于某一个临界值时，再减小扩散迁移率会导致再结晶晶粒的平均尺寸显著增加。当扩散迁移率为正常值时，Al成分的分布在弯曲界面附近比平直界面附近更加不均匀。扩散迁移率的值越大，晶内Al成分的分布越均匀，而晶界偏析现象更加明显。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 计算机显微组织模拟简介

1．1．1 引言

1．1．2 显微组织的计算机模拟方法

1．1．3 计算机组织模拟未来的发展方向

1．2 相场法组织模拟

1．2．1 相场法的特点

1．2．2 相场法组织模拟的理论基础

1．2．3 实现相场模型真实时空模拟的探索

1．2．4 相场法显微组织模拟的步骤

1．2．5 相场法的应用

1．3 AZ31镁合金简介

1．4 纳米结构材料的组织与性能

1．5 本文的研究目的和意义

第2章 再结晶显微组织演变相场模型建立

2．1 单相多晶系统中的动力学模型

2．1．1 模型中场变量的选取和微观组织的直观表达

2．1．2 化学自由能函数

2．1．3 场变量的动力学方程

2．2 数值计算方法

2．3 模型中形核条件的设置

2．4 模型中参数的选取方法

第3章 储存能与界面能对AZ31镁合金再结晶影响的模拟研究

3．1 模型中模拟条件的设置

3．2 储存能对再结晶晶粒生长的影响

3．2．1 储存能不同时参数的设置

3．2．2 模拟结果和分析

3．3 界面能对再结晶晶粒生长的影响

3．3．1 界面能不同时参数的设置

3．3．2 模拟结果和分析

3．4 本章小结

第4章 纳米晶AZ31镁合金中晶粒异常长大的模拟研究

4．1 纳米尺度晶粒异常生长

4．2 模型中模拟条件的讨论

4．3 模拟结果与讨论

4．3．1 特定取向的纳米晶粒具有低局域界面能

4．3．2 特定取向的纳米晶粒具有高局域储存能

4．3．3 特定取向的纳米晶粒具有高局域界面能动性

4．4 本章小结

第5章 AZ31镁合金中Al扩散对晶粒长大影响的模拟研究

5．1 扩散迁移率不同时参数的设置

5．2 模拟结果和分析

5．2．1 扩散迁移率对晶界偏析的影响

5．2．2 扩散迁移率对晶粒长大的影响

5．3 本章小结

第6章 总结

6．1 本文总结

6．2 进一步研究建议

参考文献

致谢

论文发表情况