有限元與蒙特卡羅方法耦合的退火過程模擬模型及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著材料科學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，材料的制備科學(xué)正從傳統(tǒng)的正向研究向逆向研究過渡：從材料組分、微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，借助計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測(cè)材料性質(zhì)，以便生成滿足使用要求的功能材料。金屬材料的微觀組織是在冶煉、鑄造、成形加工、熱處理工藝過程中形成的，而成形加工及熱處理對(duì)其最終微觀組織結(jié)構(gòu)及其性能起著至關(guān)重要的作用。實(shí)際生產(chǎn)中，金屬材料的塑性變形在宏觀及介觀尺度上都是不均勻的，這種不均勻性引起材料內(nèi)部變形儲(chǔ)能的不均勻分布，從而導(dǎo)致了退火過程中變形材料內(nèi)部

2、再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的不一致，使退火后材料各部位的組織及性能有較大差異。 對(duì)金屬材料的塑性變形過程進(jìn)行有限元(Finite Element Method，F(xiàn)EM)分析，可以獲得變形過程中金屬流動(dòng)及應(yīng)力應(yīng)變等詳細(xì)信息；利用Monte Carlo(MC)方法對(duì)變形金屬材料的退火過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬研究，可以定量、連續(xù)、動(dòng)態(tài)地觀察、檢測(cè)在實(shí)驗(yàn)室中所觀察不到或檢測(cè)不到的現(xiàn)象，更好地認(rèn)識(shí)退火過程中組織演變規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)理，獲得退火組織的特征參數(shù)，實(shí)

3、現(xiàn)退火過程介觀組織設(shè)計(jì)及其性能預(yù)報(bào)，為退火工藝優(yōu)化和高性能材料設(shè)計(jì)與開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，通過FEM與MC方法的耦合，既可以全面了解外界變形條件引起的材料宏觀尺度上儲(chǔ)能的非均勻分布及其相應(yīng)的再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)與平均晶粒尺寸變化，又可以深入研究?jī)?nèi)部組織結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致的材料介觀尺度上儲(chǔ)能的非均勻分布及其相應(yīng)的再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)與拓?fù)浣M織演變過程，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 MC方法是以概率和統(tǒng)計(jì)學(xué)理論為基礎(chǔ)的一種數(shù)值計(jì)算方法。它將所求解問

4、題轉(zhuǎn)換成事件概率模型，用計(jì)算機(jī)抽樣得到這個(gè)事件出現(xiàn)的概率，并用它作為問題的解。Monte Carlo Potts模型(簡(jiǎn)稱MC Potts模型)具有可分析復(fù)雜組織與可視化仿真的能力，本文以MC Potts模型為模擬工具，基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)及理論基礎(chǔ)依次建立了FEM與MC方法的耦合模型、介觀儲(chǔ)能密度分布模型及回復(fù)模型，完成了對(duì)退火過程模擬模型的改進(jìn)；結(jié)合相關(guān)退火模擬關(guān)鍵技術(shù)，編寫了冷變形材料等溫退火過程組織模擬程序；通過超低碳高強(qiáng)度烘烤硬化鋼板

5、與工業(yè)純鋁板的實(shí)驗(yàn)研究對(duì)模型及其程序進(jìn)行了驗(yàn)證。 首先，本論文分析了現(xiàn)有變形材料退火模型中的儲(chǔ)能分布模型，特別是RSRP儲(chǔ)能分布模型的不足，從多晶體塑性變形過程中應(yīng)力、位錯(cuò)密度及儲(chǔ)能密度之間的關(guān)系出發(fā)，解決了以下幾個(gè)關(guān)鍵問題：①狀態(tài)變量的轉(zhuǎn)換：有限元模型中流變應(yīng)力轉(zhuǎn)換為儲(chǔ)能密度，②數(shù)據(jù)的移植：轉(zhuǎn)換得到的儲(chǔ)能密度移植為MC模擬區(qū)域內(nèi)的平均儲(chǔ)能密度，③介觀初始儲(chǔ)能場(chǎng)及相應(yīng)模擬能量場(chǎng)的構(gòu)建，④形核模型的建立，并據(jù)此建立了FEM與MC方

6、法的耦合模型，實(shí)現(xiàn)了由宏觀應(yīng)力場(chǎng)向介觀儲(chǔ)能場(chǎng)的轉(zhuǎn)換，初步解決了冷變形材料宏觀及介觀尺度上儲(chǔ)能的非均勻分布問題。基于FEM與MC的耦合模型，編制了冷變形金屬材料等溫退火過程模擬程序。以冷軋純鋁板為研究對(duì)象，模擬了軋件中靠近表層的儲(chǔ)能極大區(qū)與靠近心部的儲(chǔ)能極小區(qū)的再結(jié)晶過程，并將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)：①新建的耦合模型能夠較好地模擬軋件各部位儲(chǔ)能的不同引起的再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)及再結(jié)晶完成時(shí)微觀組織的差異：儲(chǔ)能較高的區(qū)域再結(jié)晶速度較

7、快、再結(jié)晶完成時(shí)平均晶粒尺寸較小，儲(chǔ)能較低的區(qū)域再結(jié)晶速度較慢、再結(jié)晶完成時(shí)平均晶粒尺寸較大，反映的規(guī)律與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果及現(xiàn)有再結(jié)晶理論相一致，即退火后軋件表層的晶粒尺寸比心部的更加細(xì)?。蛔冃纬潭仍酱?，再結(jié)晶速度越快。②再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果與其微觀組織直觀模擬結(jié)果反映的規(guī)律相同，且這些結(jié)果與現(xiàn)有再結(jié)晶理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，不僅表明了再結(jié)晶微觀組織模擬結(jié)果的必然性，而且驗(yàn)證了本文所采用的有限元-再結(jié)晶耦合模型的合理性。 然后，

8、本論文深入研究了多晶體塑性變形時(shí)各種介觀及微觀結(jié)構(gòu)對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)及分布，進(jìn)而對(duì)儲(chǔ)能密度分布的影響，并根據(jù)其影響機(jī)制提出了合理假設(shè)并建立了相關(guān)的模型。①從Kocks復(fù)合模型出發(fā)，建立了冷變形材料中儲(chǔ)能在不同尺寸晶粒間的分布模型，初步解決了不同晶粒間儲(chǔ)能的分布問題；②從晶界對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的作用機(jī)制出發(fā)，基于Mughrabi的剪切應(yīng)力分布模型，結(jié)合應(yīng)力、位錯(cuò)密度及儲(chǔ)能的關(guān)系建立了晶界附近儲(chǔ)能的分布模型；③綜合考慮了高層錯(cuò)能及低層錯(cuò)能金屬材料中胞狀組織

9、、孿晶乃至微帶、變形帶等各種局部缺陷對(duì)位錯(cuò)密度分布的影響，提出了局部缺陷引起儲(chǔ)能升高的儲(chǔ)能分布假設(shè)?；谝陨夏Ｐ团c合理假設(shè)，建立了一個(gè)新的介觀尺度儲(chǔ)能密度分布模型。 以冷軋純鐵素體鋼板為例，研究了所建模型在退火過程中的應(yīng)用。①基于不同儲(chǔ)能密度分布模型研究了同一平均儲(chǔ)能密度下的再結(jié)晶退火過程，分析了不同儲(chǔ)能分布模型對(duì)再結(jié)晶微觀組織演變及其動(dòng)力學(xué)的影響。研究表明，新模型考慮了較大變形條件下晶粒內(nèi)部?jī)?chǔ)能的局部升高，所模擬的新晶核分布能

10、更真實(shí)地反映變形金屬材料再結(jié)晶形核機(jī)制；新模型模擬的再結(jié)晶速度在開始時(shí)刻較小，隨著再結(jié)晶晶核的大量出現(xiàn)，在再結(jié)晶中段迅速升高，并在再結(jié)晶后期由于新晶粒的相互接觸而減慢，更能反映出再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的“S”型曲線關(guān)系及對(duì)數(shù)分析曲線的線性關(guān)系。②基于新建介觀儲(chǔ)能密度分布模型，模擬了變形量和再結(jié)晶溫度對(duì)微觀組織演變及再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的影響。結(jié)果表明：隨著變形量的增大，晶粒內(nèi)部缺陷的增多，再結(jié)晶形核方式由晶界形核逐漸向晶內(nèi)形核過渡，形核率急劇增加，再結(jié)晶

11、速度顯著提高，再結(jié)晶完成時(shí)晶粒得到明顯細(xì)化，Avrami指數(shù)n值減小；再結(jié)晶溫度可以顯著提高形核率，提高再結(jié)晶速度，縮短再結(jié)晶時(shí)間，但對(duì)n值及再結(jié)晶完成時(shí)的微觀組織結(jié)構(gòu)影響較小。反映的規(guī)律與現(xiàn)有再結(jié)晶理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，證明了該模型的合理性。隨后，本論文分析了現(xiàn)有再結(jié)晶模型不能反映回復(fù)過程的原因，基于相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究確立了新的初始亞晶平均取向差-應(yīng)變關(guān)系；考慮了回復(fù)過程中的儲(chǔ)能密度降低現(xiàn)象，提出了“儲(chǔ)能密度的降低是亞晶長大過程驅(qū)動(dòng)力”的新

12、觀點(diǎn)，并據(jù)此建立了回復(fù)過程中的實(shí)時(shí)模型；提出了“亞晶異常長大形核模型中臨界形核尺寸隨儲(chǔ)能密度的降低而增大”的觀點(diǎn)。在亞晶異常長大形核模型及以上改進(jìn)的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)具有明確物理基礎(chǔ)的回復(fù)模型。 將該回復(fù)模型與再結(jié)晶的MC Potts模型相結(jié)合，建立了一個(gè)回復(fù)-再結(jié)晶模型，并據(jù)此對(duì)冷軋純鐵素體鋼板的退火過程進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明：①新模型合理考慮了變形量對(duì)初始亞晶取向差的影響機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了再結(jié)晶過程孕育期的模擬；考慮了退火過程中的儲(chǔ)

13、能降低，減緩了再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，使模擬結(jié)果與實(shí)際更為相符。②變形量一定時(shí)，退火溫度越高，孕育期越短，再結(jié)晶速度越快，溫度一定時(shí)，變形量越大，孕育期越短，再結(jié)晶速度越快。上述模擬結(jié)果可由現(xiàn)有再結(jié)晶理論和實(shí)際退火規(guī)律得到證實(shí)。 最后，為了驗(yàn)證本文建立的基于FEM與MC方法耦合的回復(fù)-再結(jié)晶模型的合理性及其應(yīng)用效果，實(shí)驗(yàn)研究了冷軋ELC-BH鋼板及1060工業(yè)純鋁板的退火過程，并與本文所建模型的相應(yīng)模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：①本文所建

14、模型能較準(zhǔn)確地模擬兩種材料的冷軋組織(特別是大變形量時(shí)的冷軋組織)、再結(jié)晶形核位置、再結(jié)晶完成時(shí)的微觀組織及隨后的晶粒長大組織；②模擬的再結(jié)晶分?jǐn)?shù)曲線接近于S形曲線，與退火實(shí)驗(yàn)的預(yù)測(cè)結(jié)果及相關(guān)再結(jié)晶理論一致，③實(shí)現(xiàn)了退火過程中孕育期的模擬，且反映的冷軋壓下率與退火溫度對(duì)孕育期及再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致：壓下率越大，孕育期越短且隨后的再結(jié)晶過程速度也越快。以上結(jié)果驗(yàn)證了本文所建FEM與MC方法的耦合模型、介觀儲(chǔ)能密度分布模型與