核电用钢316LN动态再结晶行为实验研究与数值模拟

摘要

大型锻件由于体积大、尺寸大,极易产生各种缺陷。而大锻件的制造成本极其昂贵,且周期长期,不合理的生产工艺,将导致大锻件制造的失败,这将引起极大的经济损失,甚至影响其他重型装备机械的制造和开发。从微观上讲,产品力学性能不合格恰恰是内部微观组织不合理造成的。因此,获得细小而均匀的晶粒组织是提高产品力学性能的重要途径。在热变形过程,动态再结晶是一种重要的微观组织演化机制,通过产生细小均匀的晶粒组织,提高产品的强度和韧性。此外,动态再结晶软化作用能显著降低材料的热变形抗力。而在锻造进行之前,需要将工件加热到较高的温度并保温,以获得稳定的单相奥氏体组织,为实际锻造提供良好的初始微观组织。因此,研究加热过程中的晶粒长大行为和热变形过程中的动态再结晶行为具有重要的意义。
　　本课题以核电大锻件材料316LN奥氏体不锈钢为研究对象,分别建立了用于描述加热过程中晶粒长大行为和高温变形过程中动态再结晶行为的唯象数学模型。针对复杂的动态再结晶过程,建立了能连续动态显示组织演变和有效反映其物理本质的动态再结晶CA模型,实现了316LN钢在高温变形过程中的微观组织演变的预报和控制。具体开展的研究工作如下:
　　通过加热保温实验和定量金相实验,研究了316LN钢奥氏体晶粒长大规律,分析了加热温度和保温时间对其晶粒尺寸的影响,确定了316LN钢在实际生产中合理的始锻温度范围,建立了描述316LN钢奥氏体晶粒长大规律的数学模型,为获得细小均匀的锻前微观组织和优化生产工艺提供了依据。
　　通过Gleeble热模拟实验,获得了316LN钢的高温流变应力曲线,分析了高温流变应力曲线的变化规律和材料的软化机理,建立了316LN钢高温流动应力模型和微观组织演变模型(包括再结晶动力学模型和动态再结晶晶粒尺寸模型),模型计算值与实验值吻合较好。从流变应力曲线上提取了CA模拟所需的材料数据。
　　基于动态再结晶的位错密度演化、再结晶形核和晶粒长大等物理冶金理论,通过追踪唯一内变量?元胞内位错密度变化,建立了用于模拟动态再结晶过程的元胞自动机模型。编制了基于实验数据的热变形材料参数自动计算模块,实现了以热力参数为输入的动态再结晶过程的CA模拟。
　　利用所建立的元胞自动机模型,模拟了不同变形条件下的高温流动应力曲线和微观组织演变,并与实验值进行对比验证了模型的可靠性。通过改变应变速率、变形温度、应变量以及原始晶粒尺寸,研究了热力参数和初始晶粒组织对动态再结晶行为的影响。研究表明,基于物理冶金原理的元胞自动机模型,可以准确模拟和预测316LN钢动态再结晶微观组织演变和宏观流动应力,从而为预测和控制产品力学性能提供依据。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 金属热变形微观组织演变的研究现状

1.3 元胞自动机在动态再结晶模拟中的研究现状

1.4 本文的选题意义和研究内容

第二章 316LN钢晶粒长大行为的研究

2.1 引言

2.2 实验方案

2.3 实验结果分析

2.4 奥氏体晶粒长大的数学建模

2.5 本章小结

第三章 316LN钢热压缩行为实验研究

3.1 引言

3.2 实验方案

3.3 316LN钢高温流变应力模型

3.4 316LN钢动态再结晶模型

3.5 本章小结

第四章 动态再结晶的元胞自动机模型及参数确定

4.1 引言

4.2 元胞自动机的基本原理

4.3 动态再结晶理论模型

4.4 CA模型的材料参数确定

4.5 动态再结晶CA模型的建立和模拟流程

4.6 本章小结

第五章 316LN钢动态再结晶过程的CA模拟

5.1 引言

5.2 热变形参数影响动态再结晶行为的CA模拟

5.3 原始晶粒尺寸对动态再结晶行为影响的CA模拟

5.4 核电主管道混晶现象模拟分析

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

参 考 文 献

致谢

攻读硕士学位期间发表或已录用的论文