金属材料动态再结bob客户端下载晶模型研究现状!pdf

　　bob客户端下载材料导报 综述篇 年 月 第 卷第 期 金属材料动态再结晶模型研究现状 孙 宇 周 琛 万志鹏 任丽丽 胡连喜 哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室哈尔滨 中国核工业二三建设有限公司北京 摘要动态再结晶是热塑性变形过程中重要的材料软化晶粒细化组织控制和塑性成形能力改善方法而材料发生动态再 结晶过程形成的组织结构直接决定其综合性能因此长期以来动态再结晶一直是热成形过程中的研究热点概述了动态再结晶 的物理机理介绍了位错密度模型动力学模型和微观组织演化数值模拟并对目前研究现状进行分析展望其未来发展前景 关键词 动态再结晶 位错密度模型 动力学模型 元胞自动机 中图分类号 文献标识码 引言 动态再结晶类型及作用机理 热加工作为一种常用的塑性成形方法广泛应用于铝 金属材料热变形过程中根据动态再结晶在组织演变中 铁钛等合金零件的制备而动态再结晶 表现的不同特点通常将 分为 种类型连续动态再结 作为热加工中重要的晶粒细化和软化机 晶 不连续动态 再结晶 和 制 对材料变形组织控制塑性成形能力改善和成形工艺 几何动态再结 晶 如锻造挤压冲压等优化具有重要的工程应用价值 国内外学者们采用理论和实验方法在 临界发生判据 作用机理影响因素以及模型构建等方面开展了大量研究工 通过亚晶界持续吸收位错角度不断增大导致亚 晶转动晶界由小角度转向大角度发生再结晶其流变曲线 作并取得了创新性成果 近年来随着塑性加工理论计算机和图形处理技术的 峰值应力和稳态应力几乎相等为动态回复型曲线 发展采用数值模拟与仿真技术研究材料塑性成形问题已成 作用机制主要分为两类一类为在铝和奥氏体不锈钢 为实验和理论以外的重要研究方法相比传统理论和实验 等材料高温塑性变形时位错在小角度晶界处累积引起其 数值模拟能够更好地实现由传统技艺型定性研究向科学 取向差逐渐增加进而形成大角度晶界 另一类为大角度 化定量化研究的转变金属发生热塑性变形时宏观变形 晶界滑移弓出形成锯齿状晶界晶格转动到临界值时形成 再结晶晶粒其作用机制如图 所示该机制在镁铝锌等 行为和微观组织演变发生复杂的交互作用 因此建立热变 形过程的宏观变形 微观组织耦合模型以及采用微观组织参 材料热变形中较为常见 数定量描述宏观性能对于准确揭示微观组织演化规律至关 具有明显的形核和长大阶段其形核机制主要由 重要 形变带附近小范围局部应变导致晶界弓出形核 原子由 本文对动态再结晶过程物理机理进行了阐述对 高畸变能晶粒变形晶粒向低畸变能晶粒 晶核扩散 位错密度模型动力学模型和微观组织演化模拟的发展状况 是晶核长大的主要方式同时晶粒间的畸变能之差为晶核长 进行了综述并对金属材料 发展趋势进行了展望 大的驱动力 其弓出机理如图 所示在再结晶晶核长 国家自然科学基金 中国博士后科学基金 高等学校博士学科点专项科研基金 孙宇男 年生博士副教授主要从事金属材料热成形过程微观组织模拟 胡连喜通讯作者 男 年生教授博士研究生导师主要从事轻质耐热结构材料制备与成形 金属材料动态再结晶模型研究现状孙 宇等 大过程中再结晶晶粒的晶界快速迁移当扫过高位错密度 到晶粒内部原始变形晶粒被割裂成多个新晶粒高堆垛层 区域时 晶粒内的位错密度下降如图 所示导致 错能金属在高温低应变速率大塑性变形条件下容易发生 加工硬化效果大幅度降低 进而应力 应变曲线呈现明显 其作用机制如图 所示塑性变形挤压大角度晶界 当其距离减小至 个亚晶尺寸时锯齿状大角度晶界将 的峰值应力特征 亚晶割裂开形成动态再结晶晶粒 同时 不存在 形核过程其应力 应变曲线为动态回复型曲线 图 几何动态再结晶原理示意图小变形时基体内晶粒逐 渐由等轴状变成扁平状大角度晶界粗线逐渐靠近亚晶 尺寸保持不变大角度晶界割裂开亚晶形成几何动态再结晶 图 晶界处晶格转动机制示意图晶界滑动导致三角 动态再结晶模型 晶界处应力集中晶界弓出晶界局部滑移与位错运动 形成锯齿状晶界弓出晶界在剪应力作用下不再 动态再结晶临界发生模型 对称同时晶格发生转动 动态再结晶发生的起始点与真实应力 应变曲线的峰值 应力有关 然而峰值应力对应的峰值应变 未必与微 观结构的临界应变 一致通常 出现在 之前两者之 间的差异取决于材料本身变形温度和应变速率 等 对钢进行研究时认为 比值为常数 峰值应力的准确预测是动态再结晶研究的难点 为 了表征热变形工艺参数对 的影响规律引入 参数 参数对峰值应变进行标注 式中 为热变形激活能 为气体常数 为绝对温度 为材料参数 等 根据 不锈钢流变曲线建立了应 变与峰值应变比值和应力与峰值应力比值的关系 式中 为材料参数加工硬化率通过对式求导可 得 通过对加工硬化率进行二次微分 图 晶界弓出机理示意图 临界点前位错密度变化 由拐点处 可获得结果 通过原始晶粒变形出现锯齿状晶界并不断深入 材料导报 综述篇 年 月 第 卷第 期 近年来学者们基于流变应力曲线构建了多种材料的动 其预测值与实验值吻合良好有效地揭示了该材料热成形过 态再结晶发生模型等 采用加工硬化理论建立了 程演变规律 动态再结晶发生模型 等 通过间隔式热模拟 压缩实验建立了 高温合金临界应变模型 等 基于 等提出的动力学模型通过间隔 等 对奥氏体耐热合金在温度 式热模拟压缩实验构建了 高温合金动态再结晶体积 和应变速率 范围内进行等温热压缩实验构 分数预测模型 等 采用 等提出的动力学 建了其动态再结晶发生模型然而基于流变曲线构建动态 模型建立了 合金动态再结晶体积分数预测 再结晶临界发生模型需要在特定变形条件下对材料进行实 模型 验该模型直接推广应用到其他变形条件与材料尚存不足 从上述研究可看出 动力学模型均基于 方 动态再结晶动力学模型 程所不同的是应变参量的选择模型的形式以及常数实 鉴于动态再结晶在提高材料的塑性成形能力和提高力 际生产中基于材料自身特点和变形条件建立的再结晶动力 学性能方面的显著作用国内外学者开展了建立 过程 学模型能够保证组织预测的有效性和准确性 相关数学模型的研究以期定量描述微观组织演变特征如 动态再结晶位错密度模型 体积分数或晶粒尺寸变化与热变形参数之间的关系 基于金属学理论可知金属在塑性变形过程中持续应 进而通过对工艺参数的优化实现金属成形过程中组织的调 变引起的位错密度变化位错与位错及位错与空位等缺陷的 控最终提高材料的力学性能 目前最为广泛应用的 交互作用是微观组织演变的先决条件决定了材料的流变应 动力学模型为 方程 力特性金属变形主要通过位错的增殖和在切应力作用下 的定向迁移来实现同时伴随显著的加工硬化 式中 为 的体积分数为变形时间 为材料常数 通过对可动位错和固定位错间的交互作用进行分 为时间指数该模型不仅形式简洁计算方便而且考虑了 析提出位错密度随应变的演化模型 晶粒形核与长大对动力学过程的影响但预测精度尚 需提高因此很多学者基于该方程提出了多种改进的 动力学方程其中 等 基于 方程提出了改 式中 为位错增殖系数 为位错湮灭系数 进的动力学模型 式中 为比例系数 为位错定向迁移激活能 为软化 指数 为气体普适常量位错增殖系数 取决于滑移系中 式中 为 达到 的时间而直接以再结晶时间作 可动位错的自由长度 可表示为 为变量建立 模型的操作性不强同时准确性也不够 鉴于此 等 以应变量作为再结晶时间的等效变量建 立了改进的动力学模型 式中 为位错增殖常数滑移系中的位错晶界和第二相等 阻碍直接决定可动位错的自由移动长度根据作用力的并联 原理位错自由滑移长度可表示为 式中 为合金发生 动态再结晶时的应变量采用应 变作为变形时间的等效变量使该模型在非稳态热加工过程 的应用更为方便鉴于 物理意义不显著只是理论上统 等 引入位错密度作为材料内部状态变量描述 计性质的结果实际确定起来较为困难 等 提出了改 其微观结构建立了 和 材料的加工硬化 动态回复 进的模型 的位错密度模型该模型准确地描述了变形过程流动应力和 微观结构变化进而被广泛接受和使用 和 首先提出在热变形过程中位错密 度的增殖速率正比于 位错密度的湮灭速率与 成正比 关系 位错密度模型可表示为 式中 为最大再结晶率时所对应的应变 的体积分数随应变的增加大致呈现 型规律即 槡 动态再结晶体积分数的增加速率经历先慢后快最后又慢的 式中 为加工硬化参数 为动态软化参数 过程 因此更能接近 的物理意义同时 模型中 和 修正了该模型并使其适用于 的变量如 和 均与 参数有指数关系方便该模型 材料 位错密度模型可表示为 的应用 等 考虑参数确定的便捷和迭代误差问题 和 提出了 模型即 提出了改进的模型 模型 等 基于 模型 模型和 模型建 立了 镁合金 动力学模型见式 结果发现 金属材料动态再结晶模型研究现状孙 宇等 的晶粒一侧迁移进而使低位错密度的晶粒长大 晶粒 长大速率为 式中 为硬化参数为回复参数鉴于晶界迁移对位错密 度的变化影响甚小故 位错密度模型晶界迁移忽略不 计韩亚玮等 对工业纯钛进行热模拟压缩实验建立了 位错密度模型对材料内部的微观组织进行回复和再结 式中 为材料的晶界厚度 为绝对零度的晶界自扩散系 晶模拟验证了该模型的合理性 等 考虑了温度 数 为玻尔兹曼常数 和应变速率的影响提出了修正的 位错密度模型 假定新再结晶晶粒为球形半径为 的 晶粒长大 时单位面积的驱动力 为 式中 为第 个再结晶晶粒的位错密度 为相邻晶粒的 式中 为晶界迁移扫过的体积 为应变速率校准常数 位错密度 为界面能由相邻两晶粒间取向差决定 为晶界迁移激活能刘筱等 采用元胞自动机 结合修正的 位错密度模型模拟了 镁合金在动态再结晶过程中的位错密度和微观组织演化实 式中 为再结晶晶粒与相邻晶粒间的取向差 为大角 度晶界的取向差和晶界能 验结果与模拟一致验证了该模型的实用性高志刚等 通 过对不同变形条件下 钛合金进行热模拟压缩实验分 等 建立了镍基高温合金概率性状态转变元胞自 析了 和 模型在高温变形加工硬化阶段的适用性 动机模型预测其在变形温度 应变速率为 发现两种演化模型在动态软化临界条件处发生转换即满足 时的动态再结晶行为 等 基于材料的 临界条件前变形材料内部位错演化适用 模型满足临 动态再结晶特征运用元胞自动机方法将晶体塑性有限元模 界条件后位错密度保持相对稳定位错演化规律适用 型和 模型进行耦合对 热压缩过程进行三 维数值模拟该模拟方法能对不同变形条件下的应力 应变 模型协同 和 准则可表示为 进行预测并实现了应力应变能量晶粒取向和位错密度 槡 等结果的可视化 等 建立了耦合的弹塑性粘塑性 槡 快速傅里叶变换模型与动态再结晶模型对铜进行了三维数 式中 为临界位错密度 值模拟 综上所述位错密度模型相对于动力学模型基于位错 变化引发材料塑性变形机理可定量化研究热塑性变形中动 结语 态再结晶行为加工硬化行为以及回复与再结晶机制的转 在实际生产中通过优化动态再结晶工艺参数可使粗 变等 大不均匀的晶粒得到细化与均匀化从而提高材料的力学 动态再结晶元胞自动机模型 性能因此近年来国内外学者对金属材料的动态再结晶过 数值模拟技术为研究金属提供了一种有效途径 程开展了广泛研究从宏观与微观实验与模拟等方面揭示 元胞自动机结合形核物理机制和晶粒长大动力学理论同时 了行为与作用机理取得了创新性成果 耦合宏观温度场能够良好地描述材料的动态再结晶过程 笔者认为今后的动态再结晶研究可能包含以下方面 近年来建立用于描述动态再结晶过程微观组织演变的元胞 动态再结晶物理基础方面的研究将向着微观粒子以及作 自动机模型成为研究的热点 等 认为动态再结晶 用力和能量传递材料最本质方向发展针对性地构建具 的形核速率 与应变速率 变形温度 有关 体材料的动态再结晶模型位错密度模型动力学模型以及 临界模型等以提高模型的准确性数值模拟将趋向实 际变形条件方向发展如考虑材料的原始缺陷微观结构转 式中 为常数 为激活能 等 提出当位错密 变受到变形的影响以及实际多种机制交替或协同作用 度上升到临界位错密度时动态再结晶开始发生 等复杂因素 参考文献 式中为柏氏矢量 为晶界迁移率 为常数为位错平 均自由程近似为亚晶尺寸可表示为 式中 为常数 动态再结晶晶粒的长大本质是晶界的迁移 晶粒 刘楚明刘子娟朱秀荣等 镁及镁合金动态再结晶研究进展 具有较低的位错密度其与高位错密度的基体之间形成的位 中国有色金属学报 错密度差为晶界的迁移提供了驱动力使其向位错密度较高 材料导报 综述篇 年 月 第 卷第 期 罗皎李淼泉李宏 塑性变形时的微观组织模拟 材料导报 高志刚郭鸿镇苗小浦等 协同 和 准则的 钛合 金高温变形加工硬化行为 材料热处理学报 韩亚玮苏娟华任凤章等 应用 位错密度模型 模拟工业纯钛微观组织演变 材料热处理学报

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