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(shí)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(jī)制，定量研究該過程的物理冶金原理，形成預(yù)報(bào)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)手段還是理論計(jì)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(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（編號：2006CB705401）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)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(shí)驗(yàn)觀測與理論計(jì)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(jī)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(shí)驗(yàn)，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(yàn)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(jī)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(yùn)用基于位錯(cuò)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(dá)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(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值較好吻合。
　　 （2）針對實(shí)驗(yàn)觀測和理論計(jì)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(jī)模型進(jìn)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(jī)模擬得到的流動應(yīng)力曲線和實(shí)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(shí)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(jī)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(shí)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(jī)模擬具有計(jì)算量比較大的特點(diǎn)，引入適用于計(jì)算密集優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的自適應(yīng)響應(yīng)面方法以降低計(jì)算成

6、本。以元胞自動機(jī)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(jì)理論的形核模型基礎(chǔ)上，提出并建立了位錯(cuò)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(shí)驗(yàn)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)?？紤]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(jìn)行，形核行為實(shí)際上取決于微觀的局部變形儲能（位錯(cuò)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(cuò)密度的平方根呈線性關(guān)系的基本假設(shè)，建立了位錯(cuò)關(guān)聯(lián)型形核模型。通過對比模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的吻合程度，對改進(jìn)的元胞自動機(jī)模型的合理性進(jìn)行辨識。新模型給出的流動應(yīng)力計(jì)算結(jié)果符合動態(tài)再結(jié)

8、晶過程的物理特征，且與實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jìn)的元胞自動機(jī)模型對低碳鋼和純銅動態(tài)再結(jié)晶行為進(jìn)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(jī)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(jī)模型。為了進(jìn)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(yùn)用改進(jìn)的元胞自動機(jī)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(jī)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(diǎn)，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(cuò)密度-再結(jié)晶形核與