大型轧辊用Cr5钢静态再结晶行为及元胞自动机模拟研究

摘要

大型轧辊作为轧钢设备的重要部件，由于其具有体积大、重量重且工作环境恶劣等特点，因此对其质量要求比较高。而金属材料的质量与其材料内部的微观组织又有着密切的联系，在热锻成形过程中，金属的宏观变形会造成其内部微观组织产生一系列复杂变化。在实际加工中，大型轧辊一般需要进行多火次加热，反复墩粗和拔长，很容易造成粗晶，表面开裂等缺陷，严重时甚至会导致锻件报废。在热锻及锻后热处理过程中，动态和静态再结晶是控制组织与性能的有效手段之一，而后者的研究较少。因此，研究金属材料在热锻成型中的静态再结晶微观组织演化规律，对控制产品最终性能有着十分重要意义。　　本文选取大型轧辊用材料Cr5钢为研究对象，通过Gleeble 1500D热模拟试验机进行双道次热压缩试验，研究了不同形变温度、真应变、应变速率、初始奥氏体晶粒尺寸在道次间隔时间内的静态再结晶行为，得到了Cr5钢在此变形条件下的真应力-真应变曲线。并采用0.2%应变补偿法测定静态再结晶体积分数，研究各变形参数对Cr5钢静态再结晶体积分数的影响，建立了Cr5钢的静态再结晶动力学模型。采用金相试验法，研究Cr5钢静态再结晶微观组织演化过程。并根据得到的静态再结晶动力学模型求出Cr5钢发生完全静态再结晶时间，结合热压缩试验与金相试验，建立得到Cr5钢静态再结晶晶粒尺寸模型。　　本文基于再结晶形核和长大等物理学冶金理论，结合静态再结晶物理机制，建立Cr5钢静态再结晶元胞自动机(Cellular Automaton,简称CA)模型。根据所建立CA模型，基于Eclipse开放式平台，采用JAVA语言编写CA程序实现了Cr5钢静态再结晶过程的微观组织演变随时间演变的可视化。模拟得到静态再结晶动力学曲线和Avrami常数与JMAK理论相契合，对不同变形条件下的微观组织演变进行模拟，分析了变形参数对静态再结晶体积分数及静态再结晶晶粒尺寸的影响规律。将模拟得到的微观组织与试验得到结果进行对比，结果较为吻合，表明本文建立CA模型可以用来模拟Cr5钢静态再结晶行为。

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第1章 绪论

1.1 立题背景及意义

1.2 金属热塑性成形再结晶文献综述

1.2.1 再结晶基本概念

1.2.2 金属的动态再结晶文献综述

1.2.3 金属的静态再结晶文献综述

1.2.4 金属再结晶组织预测方法

1.3 元胞自动机研究综述

1.4 研究内容

1.5 研究方法

第2章 Cr5钢静态再结晶的试验研究

2.1 引言

2.2 试验材料与方法

2.2.1 试验材料

2.2.2 试验方法

2.2.3 金相组织试验

2.3 试验结果与分析

2.3.1 初始晶粒尺寸测定

2.3.2 双道次热压缩应力应变曲线

2.3.3 静态再结晶体积分数的测定

2.3.4 热变形工艺参数对静态再结晶的影响

2.3.5 静态再结晶动力学方程

2.3.6 静态再结晶动力学模型的验证

2.4 静态再结晶晶粒尺寸研究

2.4.1 试验方案

2.4.2 试验结果及分析

2.4.3 静态再结晶晶粒尺寸模型

2.4.4 静态再结晶晶粒尺寸模型的验证

2.5 本章小结

第3章 元胞自动机方法基本原理及初始组织生成

3.1 引言

3.2 CA的基本概念

3.2.1 CA的基本特征

3.2.2 CA的基本组成

3.3 母材初始组织生成

3.3.1 初始组织CA模型建立

3.3.2 初始组织生成

3.4 本章小结

第4章 Cr5钢静态再结晶CA建模过程

4.1 引言

4.2 静态再结晶CA模型的建立

4.2.1 基本假设

4.2.2 静态再结晶形核模型

4.2.3 静态再结晶长大模型

4.2.4 静态再结晶CA模型元素建立

4.3 Cr5钢静态再结晶CA模拟程序的实现

4.3.1 输入参数

4.3.2 编写程序

4.3.3 微观组织特征统计技术

4.4 本章小结

第5章 Cr5钢静态再结晶CA模拟

5.1 引言

5.2 静态再结晶动力学分析

5.3 静态再结晶组织演变

5.3.1 静态再结晶体积分数

5.3.2 晶粒尺寸

5.4 CA法耦合FEM法模拟Cr5钢静态再结晶行为

5.4.1 宏观场量的获取与导出数据

5.4.2 耦合CA与FEM法模拟不同变形区域静态再结晶微观组织

5.5 本章小结

第6章 结论

参考文献

致 谢

攻读学位期间的研究成果