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基于Monte Carlo方法的金属动态再结晶组织模拟

韩振强  
【摘要】: 动态再结晶是金属热变形过程中最重要的物理冶金过程之一。研究热变形过程中的动态再结晶规律,预测和控制显微组织演变,对于确定最佳的加工工艺参数,优化产品的组织和性能有很重要的意义。经过人们对动态再结晶的长期研究,取得了很多研究成果,如位错理论、唯象理论等。但是,由于检测手段和变形条件的限制,对其微观结构演化的解释尚存在许多不足。 近年来,为了能够综合地、直观地反映了再结晶的动力学和拓扑学关系,国内外研究者们提出了许多基于蒙特卡洛方法(MC法)和元胞自动机方法(CA法)的静态再结晶和晶粒长大的模型,并结合计算机图像显示技术,以图像方式生动地再现了材料的显微组织演变过程,为静态再结晶研究开辟了一条新途径。但是,在动态再结晶研究领域,国内外研究较少,现有的模型尚不成熟。为此,本论文应用蒙特卡洛方法,基于热模拟实验和相关理论创建了一个具有较好的物理和实验基础的模拟模型及其应用程序,并以09CuPTiRe钢为研究对象,对其动态再结晶过程进行了模拟研究。 首先,综合应用热模拟实验、微观变形机理和非线性回归方法,本文建立了一个完整的材料连续动态再结晶本构关系模型,描述了整个材料热变形过程的应力变化规律,并基于MC法提出了一种优化本构关系模型的方法。 其次,结合材料热模拟实验及其热变形本构关系方程,创建了一个能量施加模型,并提出了一个依据晶粒大小进行能量分配的储存能非均匀分布模型。在再结晶形核理论的基础上,建立了晶界形核和晶内形核的模型;同时,建立了一个适合动态再结晶过程的晶粒长大模型。 然后,利用Visual Fortran语言编制了相关模拟程序,并成功地模拟了连续动态再结晶过程,其所包含的微观组织演变、储存能变化、平均晶粒尺寸变化和动态再结晶体积百分数变化基本符合真实物理过程,对应的动态再结晶动力学规律符合Avrami方程。 最后,本文通过对不同变形速率和变形温度下连续动态再结晶过程的模拟,发现动态再结晶发生难度随着变形速率增大和变形温度降低而增加,由此引起相应的模拟结果变化,这些影响规律得到了相关理论和实验的印证。


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