基于反分析法的熱變形低碳鋼動態(tài)再結(jié)晶行為數(shù)值模擬.pdf

1、金屬材料的熱塑性成形不僅為了獲得零件或產(chǎn)品的形狀，同時也為了改善材料的微觀組織及獲得良好的力學(xué)性能。熱成形過程中伴隨的動態(tài)再結(jié)晶（Dynamic Recrystallization，DRX）行為是改善材料組織和性能的重要機制，定量研究該過程的物理冶金原理，形成預(yù)報動態(tài)再結(jié)晶過程的數(shù)值方法，對于控制成形過程中的材料演變行為并最終獲得良好性能的產(chǎn)品具有重要意義。形核行為是影響動態(tài)再結(jié)晶微觀組織演化的重要因素。但是，由于實驗條件的限制和動態(tài)再

2、結(jié)晶過程的復(fù)雜性，目前不論是實驗手段還是理論計算都無法準(zhǔn)確描述形核行為。因此，如何準(zhǔn)確獲取形核信息是動態(tài)再結(jié)晶數(shù)值模擬的關(guān)鍵。本文在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973）項目（編號：2006CB705401）和國家自然科學(xué)基金項目（編號：50675133）的資助下，以低碳鋼熱成形的微觀組織演變?yōu)檠芯繉ο螅岢鰬?yīng)用反分析方法揭示實驗觀測與理論計算均難以直接考察的形核行為規(guī)律，建立適用于低碳鋼動態(tài)再結(jié)晶微觀組織演化模擬的元胞自動機模型，主要研究

3、內(nèi)容如下：
　　 （1）通過低碳鋼SS400的Gleeble-1500熱模擬實驗，在蠕變方程、Avrami方程和Arrhenius關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了半經(jīng)驗性質(zhì)的動態(tài)回復(fù)-動態(tài)再結(jié)晶二階段流動應(yīng)力模型.根據(jù)高溫變形過程中的主導(dǎo)軟化機制的不同，將低碳鋼高溫流動應(yīng)力曲線分為動態(tài)回復(fù)階段和動態(tài)再結(jié)晶階段，運用基于位錯密度的加工硬化-動態(tài)回復(fù)模型、描述動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)的Avrami方程來表達加工硬化、動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶對流動應(yīng)力的影響

4、，分析模型參數(shù)隨變形條件的變化規(guī)律，建立低碳鋼的高溫流動應(yīng)力模型。模型計算值與實驗值較好吻合。
　　 （2）針對實驗觀測和理論計算均不能準(zhǔn)確描述形核信息的問題，提出應(yīng)用反分析方法對動態(tài)再結(jié)晶過程的元胞自動機模型進行模型辨識和參數(shù)辨識的新思路.根據(jù)物理冶金原理，形核行為直接影響動態(tài)再結(jié)晶微觀組織演化過程，而后者決定了材料的宏觀流動應(yīng)力曲線。因此，對比元胞自動機模擬得到的流動應(yīng)力曲線和實測曲線，其差別就反映了形核模型及其參數(shù)取值的合

5、理程度。新方法通過自動優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)。研究結(jié)果表明新方法不僅可以合理準(zhǔn)確地確定現(xiàn)有模型中的參數(shù)，而且有助于模型的更新和完善，為探討動態(tài)再結(jié)晶形核行為提供了有效而可靠的替代方法。
　　 （3）基于物理冶金原理和元胞自動機模型能夠揭示微觀組織演化和宏觀流動應(yīng)力之間內(nèi)在聯(lián)系的特性，提出并實現(xiàn)了基于流動應(yīng)力的模型參數(shù)辨識方法.由于動態(tài)再結(jié)晶的元胞自動機模擬具有計算量比較大的特點，引入適用于計算密集優(yōu)化設(shè)計問題的自適應(yīng)響應(yīng)面方法以降低計算成

6、本。以元胞自動機模型作為核心模塊，定量模擬熱變形條件下的動態(tài)再結(jié)晶微觀組織演化和宏觀流動應(yīng)力；以自適應(yīng)響應(yīng)面方法作為輔助模塊，為元胞自動機模型提供待定形核參數(shù)的預(yù)設(shè)值并評估輸出結(jié)果。通過對比模擬結(jié)果和實驗結(jié)果的物理特征，分析模擬偏差的產(chǎn)生原因，并據(jù)此提出新的形核模型。
　　 （4）在Derby和Ashby基于統(tǒng)計理論的形核模型基礎(chǔ)上，提出并建立了位錯關(guān)聯(lián)型形核模型，反映了變形儲存能分布對動態(tài)再結(jié)晶形核行為的影響.實驗研究與理論分

7、析表明再結(jié)晶形核行為與變形儲存能密切相關(guān)。考慮到變形材料中加工硬化和動態(tài)再結(jié)晶軟化循環(huán)反復(fù)進行，形核行為實際上取決于微觀的局部變形儲能（位錯密度）。為了揭示動態(tài)再結(jié)晶形核行為隨變形儲存能的變化規(guī)律，根據(jù)Derby和Ashby的形核模型，提出了晶界形核率和位錯密度的平方根呈線性關(guān)系的基本假設(shè)，建立了位錯關(guān)聯(lián)型形核模型。通過對比模擬結(jié)果與實驗結(jié)果之間的吻合程度，對改進的元胞自動機模型的合理性進行辨識。新模型給出的流動應(yīng)力計算結(jié)果符合動態(tài)再結(jié)

8、晶過程的物理特征，且與實驗值的平均相對誤差僅為1.02％，因此較好地反映了動態(tài)再結(jié)晶的物理過程。在此基礎(chǔ)上.檢驗了該模型對動態(tài)再結(jié)晶其他物理特征的描述能力，例如，原始晶粒尺寸能夠影響動態(tài)再結(jié)晶發(fā)生的過程，導(dǎo)致流動應(yīng)力曲線的變化差異，應(yīng)用改進的元胞自動機模型對低碳鋼和純銅動態(tài)再結(jié)晶行為進行模擬，模擬結(jié)果可以很好地反映上述特性，且模擬精度較傳統(tǒng)的元胞自動機模型明顯提高，表明該模型具有良好的預(yù)測能力和普適性。
　　 （5）成功建立了適

9、用于低碳鋼在不同熱力加工條件下動態(tài)再結(jié)晶微觀組織演化模擬的元胞自動機模型。為了進一步考察應(yīng)變速率和變形溫度對動態(tài)再結(jié)晶行為的影響，運用改進的元胞自動機模型及其參數(shù)辨識方法模擬了不同變形條件下的動態(tài)再結(jié)晶行為，確定了各模型參數(shù)和變形條件之間的相關(guān)性模型，建立了適用于低碳鋼動態(tài)再結(jié)晶微觀組織演化模擬和預(yù)測的元胞自動機模型。模型不僅具有參數(shù)數(shù)量少、物理意義明確的優(yōu)點，而且揭示了“熱力加工參數(shù)（應(yīng)變速率、變形溫度、應(yīng)變）-位錯密度-再結(jié)晶形核與