金属热变形及焊缝凝固过程的元胞自动机模拟

摘要

金属材料性能很大程度上取决于其微观组织，因此控制材料微观组织演变对热加工过程的理论发展和技术优化有重要的意义。长期以来，对金属成型过程微观组织演变的研究主要建立在实验和半经验公式基础上，这种方法既增加了产品成本、延长了生产周期，又无法直接观察材料的微观组织演变过程。近年来，随着高性能计算设备和新的模拟技术的出现，计算机模拟成为研究热加工过程微观组织演变的重要手段。元胞自动机(CA)法是一种广泛应用的材料介观组织模拟方法，与传统的数值计算和模拟方法相比，它在物理系统的计算和模拟中的应用更为灵活。CA法的转变规则兼具确定性和随机性，可以很好的和材料加工理论模型结合在一起，因此适合于模拟晶粒形核与长大过程。本文采用CA方法分别对金属热变形和焊接凝固过程的微观组织演变进行了模拟，主要内容如下： (1)基于动态再结晶组织转变原理，建立了纯金属动态再结晶过程的二维CA模型。模型综合考虑了位错密度演变、动态再结晶形核及再结晶晶粒长大等一系列过程。在纯金属模型基础上，建立了包含粒子的合金动态再结晶CA模型。模型认为第二相粒子存在使粒子附近发生粒子激发形核，并且会增强位错累积和阻碍晶界迁移。模型分别被应用到纯铜和GCr15轴承钢单道次热压缩过程。模拟结果表明初始晶粒尺寸及热加工参数都对动态再结晶动力学有很大影响。将模拟结果和实验结果进行了对比，吻合较好。 (2)建立了预测金属材料双道次热变形过程的二维CA模型。模型综合考虑了热变形涉及的动态再结晶、静态回复、静态再结晶、亚动态再结晶和晶粒长大等单个的物理现象。利用模型分别对纯铜和GCr15轴承钢双道次热压缩过程进行模拟来验证模型。探讨了道次间隔时间和第一道次变形量对微观组织演变、应力-应变曲线和再结晶动力学的影响。模拟结果和实验数据及理论模型基本一致。 (3)在二维CA模型基础上，建立了动态再结晶过程的三维CA模型。三维模型采用了立方元胞单元和改进的Moore型邻居。将动态再结晶三维CA模型应用到纯铜和GCr15轴承钢单道次热压缩过程中，探讨了不同初始晶粒尺寸和热变形参数对动态再结晶过程的应力-应变曲线和再结晶动力学的影响。 (4)将晶粒变形技术引入到动态再结晶过程的CA模型中，建立了准同步的耦合模型。基于元胞尺寸变化的均匀拓扑变形技术能有效的模拟晶粒形状的改变。模型被用来模拟纯铜和GCr15轴承钢单道次热压缩过程，讨论了热压缩过程晶粒变形对动态再结晶微观组织演变和再结晶动力学的影响。 (5)通过耦合CA和蒙特卡罗(MC)方法，建立了熔焊焊缝凝固过程的二维模型。模型通过有限差分(FD)法求解热传导及溶质扩散过程，采用CA/MC法构建固相晶粒的形核和长大规则，通过凝固潜热处理及固/液界面前沿溶质再分配将CA/MC和FD方法结合在一起。将模型应用到17Cr-Ti-N不锈钢的焊缝凝固过程，预测了TiN作为形核孕育荆条件下焊缝凝固组织的柱状晶向等轴晶转变(CET)。模拟结果和实验结果基本一致。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2材料组织模拟方法的发展

1.2.1 确定性方法的发展和应用

1.2.2随机性方法的发展和应用

1.2.3相场法的发展和应用

1.3 元胞自动机法在材料组织模拟中的应用

1.3.1元胞自动机法在凝固组织模拟中的应用

1.3.2元胞自动机法在再结晶组织模拟中的应用

1.3.3元胞自动机法在固态相变及晶粒长大组织模拟中的应用

1.4本文的研究内容和意义

2金属热变形及熔焊组织转变原理

2.1 引言

2.2热塑性变形过程组织转变原理

2.2.1动态回复

2.2.2动态再结晶

2.2.3热变形后的软化过程

2.2.4晶粒长大过程

2.3熔焊焊缝凝固过程组织转变原理

2.3.1焊缝固相形核和长大机制

2.3.2细化一次焊缝组织的方法

3元胞自动机(CA)方法

3.1 引言

3.2元胞自动机基本原理及特征

3.3元胞自动机的定义

3.3.1元胞自动机的物理学定义

3.3.2元胞自动机的数学定义

3.4元胞自动机的分类

3.5元胞自动机的构成

3.5.1元胞及其状态

3.5.2元胞空间

3.5.3边界条件

3.5.4邻域的定义

3.5.5元胞状态的转变规则

3.6元胞自动机方法的扩展应用

3.6.1概率性元胞自动机

3.6.2晶格气元胞自动机

3.6.3不规则元胞自动机

3.6.4混合元胞自动机

3.6.5网络元胞自动机

4动态再结晶过程的二维元胞自动机模拟

4.1 引言

4.2纯金属动态再结晶数学模型

4.2.1初始组织模型

4.2.2位错密度演变模型

4.2.3形核模型

4.2.4再结晶晶粒长大模型

4.3含第二相粒子的合金动态再结晶数学模型

4.3.1位错密度演变模型

4.3.2形核模型

4.3.3再结晶晶粒长大模型

4.4 CA模型的建立

4.4.1 二维CA模型的构造

4.4.2耦合晶粒变形的二维CA模型构造

4.5纯铜单道次热压缩过程模拟结果和分析

4.6 GCr15轴承钢单道次热压缩过程模拟结果和分析

4.7考虑晶粒变形得到的动态再结晶初步模拟结果

4.8本章小结

5动态再结晶过程的三维元胞自动机模拟

5.1引言

5.2动态再结晶过程三维CA模型的建立

5.2.1初始晶粒组织三维模型

5.2.2动态再结晶三维模型

5.2.3三维晶粒变形技术

5.3纯铜动态再结晶过程三维模拟结果及分析

5.4 GCr15轴承钢动态再结晶过程三维模拟结果及分析

5.5考虑晶粒变形得到的三维初步模拟结果

5.6本章小结

6双道次热变形过程的二维元胞自动机模拟

6.1引言

6.2双道次热变形过程的CA模型

6.2.1静态回复模型

6.2.2静态再结晶和亚动态再结晶模型

6.2.3晶粒长大模型

6.2.4二维CA模型的构造

6.3纯铜双道次热压缩过程模拟结果及分析

6.4 GCr15轴承钢双道次热压缩过程模拟结果及分析

6.5本章小结

7焊缝凝固过程的二维元胞自动机模拟

7.1引言

7.2焊缝凝固模型的建立

7.2.1温度场及溶质场计算

7.2.2固相形核及长大模型

7.2.3 MC法修正晶粒长大

7.2.4 时间步的计算

7.2.5焊缝凝固模型的实现

7.3 17Cr-Ti-N不锈钢焊缝凝固过程模拟结果及分析

7.4本章小结

结 论

展 望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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