基于Monte Carlo法的模锻叶片微观组织演变过程研究

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金属材料在热塑性变形过程中存在硬化与软化两个机制,其中动态再结晶是最重要的软化机制。动态再结晶能够改变热塑性变形材料内部的晶粒组织,使已变形晶粒在动态转变成无畸变的细小且均匀晶粒的同时消除或部分消除塑性变形带来的加工硬化,进而改善或提高材料持续热塑性变形的能力。因此,深入研究和掌握材料热加工过程中的微观组织演变规律,对于切实了解和预测变形温度、变形速率、变形力等工艺参数对热成形制件最终组织的影响具有重大的现实意义。本论文根据金属材料热变形理论和Monte Carlo(简称MC)随机统计理论,建立了一个基于非均匀储能分布的动态再结晶微观组织演变模型,并利用Matlab工具开发了一个仿真叶片锤上模锻成形过程中微观组织演变的应用系统,借助该应用系统研究了变形温度、应变速率、流动应力等热力参数对叶片微观组织动态演变的影响。结果表明:(1)通过非均匀储能分布和变化(驱动)可以决定MC-Potts模型中被选结点取向数的转换概率,从而仿真变形金属内部的再结晶形核与长大现象。(2)由不均匀储能分布理论建立的再结晶概率模型,能够较好地反映再结晶形核的潜在部位和再结晶晶粒的生长。(3)再结晶形核临界储能判据的引入、由材料宏微观参数共同决定再结晶形核速率和一个MC步中的形核数分配、借助能量的相对变化确定大角度晶界的迁移方向、以及在一个MC步中体现再结晶形核与再结晶晶粒生长并存等理论或技术的应用,使得论文建立的微观组织演变模型更加接近工程实际。(4)在编制动态再结晶组织演变计算主程序中,通过解决诸如初始组织生成、热力参数增量加载、储能动态分配、MCS时间与物理时间的关联、微观组织展示、晶粒信息统计等技术难题,确保了所建系统在一定程度上较真实地揭示动态再结晶的基本特征及其演变过程。(5)动态再结晶初始形核数与等效应变速率和等效塑性应变的关系极大,其次是等效应力,而变形温度对再结晶形核数影响不大。各变形区热力参数分布不均匀且随时间步、锤击数和变形量动态变化,导致模锻结束后,叶片各区域内的晶粒尺寸各异,塑性变形量较大的区域,晶粒尺寸较细小。(6)在叶片成形的每一时间步中,以对数形式表示的再结晶分数与Monte-Carlo计算步之间存在线性关系,符合再结晶动力学规律,其Avrami指数略低于理论值。
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