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相场法对AZ31镁合金再结晶过程实现真实时空模拟的研究

王明涛  
【摘要】: 相场法是建立在Ginzburg-Landau唯象理论之上的一种基于经典热力学和动力学理论的模拟方法,是目前计算机处理能力范围内最有希望实现在可观察到的显微组织尺度范围内材料组织真实时空模拟的一种方法。然而由于模型中部分参数物理意义不明确,无法确定其真实值,故大部分模拟仅限于对现象或趋势定性的或相互对比的模拟。本研究建立了单相再结晶晶粒长大模型,并确定了模型中所有参数的物理意义以及真实取值,实现了单相多晶材料显微组织演变的真实时空模拟,为推动相场法固态显微组织模拟进入实际应用做出重要努力。 AZ31镁合金具有良好的延展率和较高强度,是目前商业化应用最广的变形镁合金。然而该合金室温塑性低,元素含量较低,时效强化和固溶强化效果均不理想,于是再结晶成为控制该合金组织,提高其性能的有效手段。因此本研究选取AZ31镁合金为例,对该合金再结晶过程进行模拟,通过与实验结果进行比较,验证了本研究提出的模型以及模型中参数取值法则的正确性,并在此基础上进一步对该合金组织演化特征进行研究,以期对该合金优化研究做参考。 本研究首先在以往相场模型基础上进行了修改,提出了单相再结晶系统中局域自由能密度函数的表达式,引入成分场变量、储能项等构建了在工业应用范围内模拟真实时空再结晶组织演化的模型。同时针对AZ31镁合金系统确定了模型中参数的取值法则,并且该法则同样适用于其它单相晶粒长大过程相场模型。 接着通过外加储存能的大小确定了与储存能有关的自由能密度函数中系数B_1和B_2的值,同时将再结晶后晶粒内部的自由能密度函数与热力学数据软件THERMOCALC计算得到的该合金自由能成分曲线进行拟合以确定整个函数中系数A、A_1、A_2的真实值。 其次通过已知的晶界作用域宽度和界面能值确定了梯度项系数K_2和耦合项系数K_1的真实值,现有模型无法确定K_1和K_2,这也是相场模型无法完成真实时空模拟的关键。本文研究了模型参数取值对界面特征的影响,阐述了晶界作用域就是相场模型中界面处有序化变量的变化范围,其物理意义是界面能量的分布范围,并对应于成分界面偏析的范围。 最后提出了界面迁移率有关的系数L可以表达为阿伦尼乌斯公式形式,并确定了其中的激活能在该系统中为与基体原子尺寸差别最大的Zn原子的偏析激活能。通过比较在400℃时的实验数值的方法,确定了界面能动性表达式中的与温度无关系数L_0的值。 在确定模型和参数后本文模拟了AZ31镁合金在250℃—400℃范围内再结晶晶粒长大过程,通过与实验结果在组织形貌、单个晶粒演化过程、晶粒尺寸和混晶度等方面的比较,验证了本文提出的相场模型的正确性和有效性。研究发现:在250℃时合金界面迁移激活能的机制发生了变化,同时说明Zn原子在界面处偏析对界面迁移的能动性起主要作用,而Al在体系中所占比例虽然较大但对界面能动性所起作用不大;模拟设定的形核完成后进入与实验结果可比的再结晶阶段立即与测定值相吻合,说明了本模型设定的随机形核一分钟快速长大的形核模型是合理的,符合再结晶过程形核时间短,储存能释放迅速的特点,之后的晶粒长大过程是储存能和界面能共同推动的结果。该合金组织混晶情况比较严重,主要是由于合金自身的热力学性质决定的,并且其混晶度随温度的升高而增大,同一温度下混晶度随时效时间的增加而逐步增加。 本研究进一步模拟研究了储存能和界面能对该合金再结晶晶粒长大过程的影响,研究发现:一定温度下,平均晶粒尺寸、晶粒长大速度和组织混晶度均随储存能的增加而减小;合金系统存在一个等于0.33J/m~2的临界界面能值,当界面能小于该临界值时,界面能对再结晶平均晶粒尺寸影响很小,当界面能大于该临界值时平均晶粒尺寸、晶粒长大速度、组织混晶度均随界面能的增加而显著增大。


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