基于流变曲线的热塑性变形过程微观组织模拟建模研究

论文摘要

几何形状和机械性能是判断金属成形产品质量的两大重要标准。随着科技的发展,汽车、建筑业等用钢大户近年来普遍提出减轻结构质量的要求,促使钢铁企业开发高性能的新钢种。这就要求在钢材生产的全过程,特别是热轧过程中,对工件的微观组织和结构进行有效控制。以物理冶金学原理为基础,建立不同生产工艺条件下发生的各种金属学现象的数学模型可以准确地预测显微组织的变化和产品的最终力学性能,因此如何快速而准确地确定金属冶金学行为（例如动态、静态再结晶）的数学模型成为关键,只有这样才能在交付时间内以更低的成本生产出符合用户需求的钢铁产品。很多研究者用金相学方法得到金属热变形过程中的再结晶分数,费时费力而且热变形过程是一个加工硬化、动态回复和动态再结晶同时存在并相互作用的复杂过程,再结晶分数难以用定量金相法精确测定,而且依此得到再结晶动力学模型对于含有不同合金元素的钢种并不通用。这样在更短的时间内用更少量的实验来准确估算金属材料再结晶动力学方程就显得很必要。金属的变形和微观组织演变与位错密度的变化密切相关。文中将动态再结晶动力学方程看作是塑性应变的函数,给出了动态再结晶体积分数与平均位错密度之间的数学表达式,利用动态再结晶体积分数的增量形式计算再结晶区域晶粒的位错密度,然后利用Gleeble热压缩实验得到的流变应力曲线计算平均位错密度。从而得到一种有别于定量金相法的快速估算金属材料动态再结晶动力学的方法。把静态再结晶体积分数与位错密度联系起来,建立了静态回复和静态再结晶与道次间歇期内位错密度减少量之间的关系,提出了一种新的确定静态再结晶动力学的方法。利用双道次热压缩实验得到的流变应力曲线计算平均位错密度,进而求解得到静态再结晶动力学模型。在普碳钢Q235A热压缩实验中运用此方法,在不同的变形条件下成功获得了其动态再结晶动力学方程和静态再结晶的动力学方程,并把计算结果与先前学者所做的研究结果进行比较,两种结果符合得较好。碳钢热塑性成形过程中,微观组织演变（动态再结晶、静态再结晶、亚动态再结晶等）都将引起位错密度的变化,进而影响热流变应力曲线的形状。文中建立了一个耦合了位错密度变化和微观组织演变的流变应力模型,它可以分为两部分——再结晶模型和位错密度的演变模型,根据Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami（KJMA）理论将再结晶看作是一个统一的过程,建立了材料再结晶形核和长大模型。再结晶体积分数的计算结果与只考虑加工硬化和回复的位错密度模型一同用来计算平均位错密度,平均位错密度又用以计算流变应力,这样就建立了参数化的流变应力计算模型,然后通过对热压缩实验得到的流变应力曲线的逆分析,运用最优化方法利用Visual Fortran编程计算带约束的非线性最优化问题,得到相关模型系数。进而可以利用材料的流变应力曲线逆推算任意时刻的热变形过程中再结晶体积分数和平均晶粒尺寸的演变情况,以及多道次变形间歇期内位错密度的变化情况,并通过实验进行了验证再结晶动力学和不同变形量下的动态再结晶晶粒尺寸的模拟情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 国内外钢铁行业的发展现状
• 1.2 组织性能控制的发展
• 1.3 钢材热轧过程组织模拟研究进展
• 1.3.1 初期的钢材组织研究工作
• 1.3.2 组织演变数值模拟
• 1.4 奥氏体高温状态下的再结晶行为
• 1.4.1 奥氏体动态再结晶
• 1.4.2 奥氏体静态再结晶
• 1.4.3 再结晶研究的实验方法
• 1.4.4 再结晶的组织模拟
• 1.5 课题研究的意义
• 1.6 本文研究的内容和目标
• 第2章 再结晶及晶粒长大相关模型
• 2.1 动态再结晶模型
• 2.2 静态再结晶与亚动态再结晶模型
• 2.3 再结晶晶粒长大模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于流变曲线的动态再结晶动力学的确定
• 3.1 位错的相关概念
• 3.1.1 位错的类型
• 3.1.2 位错运动与塑性变形机理
• 3.2 多道次热变形奥氏体组织演变模拟增量公式
• 3.2.1 再结晶组织的定义
• 3.2.2 变形过程中的动态组织变化
• 3.3 动态再结晶动力学计算模型
• 3.3.1 动态再结晶发生后位错密度的变化
• 3.3.2 流变应力计算模型
• 3.3.3 已发生动态再结晶区域的晶粒位错密度计算
• 3.4 单道次热压缩试验
• 3.5 实验结果
• 3.6 计算结果的比较分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于流变曲线的静态再结晶动力学的确定
• 4.1 静态再结晶动力学计算模型
• 4.1.1 确定静态再结晶动力学方程
• 4.1.2 实验材料及方法
• 4.2 计算结果分析与讨论
• 4.3 本章小结
• 第5章 基于流变曲线的组织演变模型参数化反求
• 5.1 逆问题的定义
• 5.2 再结晶模型的建立
• 5.2.1 整体解决方案描述
• 5.2.2 数学模型建立
• 5.3 优化算法简介
• 5.3.1 单纯形搜索法
• 5.3.2 Powell 法
• 5.3.3 程序的计算说明
• 5.4 模拟计算结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 模型参数的实验验证
• 6.1 热模拟实验技术在高温变形冶金物理学研究中的应用
• 6.1.1 金属的塑性变形及压力加工物理模拟的基本参数
• 6.1.2 物理模拟在金属塑性变形抗力研究中的应用
• 6.2 实验验证
• 6.2.1 实验设备、仪器及材料
• 6.2.2 实验方案
• 6.2.3 实验结果分析
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介