金屬組織轉(zhuǎn)變與變形的相場(chǎng)與晶體塑性模擬及其耦合模型.pdf

1、材料的變形過(guò)程在很大程度上受其內(nèi)部狀態(tài)的影響，例如相的分布、晶粒形態(tài)和取向等，而這些內(nèi)部狀態(tài)又受變形過(guò)程的影響。因此開(kāi)展組織演化規(guī)律的研究、晶體變形過(guò)程的研究，特別是兩者耦合機(jī)制的研究是很有必要的。而通過(guò)數(shù)值模擬的手段可以得到更多試驗(yàn)手段所無(wú)法獲得的信息。本文首先采用相場(chǎng)方法對(duì)幾種常見(jiàn)的組織演化過(guò)程，包括擴(kuò)散相變和結(jié)構(gòu)相變，以及應(yīng)力作用下位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬，而后采用晶體塑性模型對(duì)金屬多晶體的塑性變形過(guò)程進(jìn)行了模擬，并對(duì)網(wǎng)格參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)

2、果的影響進(jìn)行了討論，最后建立了組織演化和晶體變形的耦合有限元計(jì)算模型。
　　在采用相場(chǎng)方法模擬材料組織演化方面，本文首先建立了微磁學(xué)和相場(chǎng)方法的耦合模型用以研究磁性合金在外磁場(chǎng)作用下的調(diào)幅分解過(guò)程。結(jié)果顯示，外磁場(chǎng)可使分解組織發(fā)生沿磁場(chǎng)方向的伸長(zhǎng)，通過(guò)改變外磁場(chǎng)的方向可對(duì)分解組織的形貌進(jìn)行控制；建立了三種不同的各向異性梯度能計(jì)算模型，所建立的梯度能計(jì)算模型能方便地對(duì)二維多邊形及三維多邊形盤(pán)狀或棒狀析出相進(jìn)行模擬；其次建立了一個(gè)再結(jié)

3、晶的相場(chǎng)模型，該模型中再結(jié)晶趨向于在晶界處優(yōu)先形核，隨溫度及形變儲(chǔ)能的升高晶內(nèi)相對(duì)形核率增加。再結(jié)晶晶粒生長(zhǎng)速率的平方與變形儲(chǔ)能呈線性關(guān)系。該模型亦可用于含有第二相顆粒的情況，結(jié)果表明第二相顆粒能夠促進(jìn)再結(jié)晶形核，但是卻對(duì)再結(jié)晶晶粒界面的推移具有明顯的釘扎作用；最后建立了相場(chǎng)位錯(cuò)模型的計(jì)算模塊，并對(duì)位錯(cuò)的滑移和增殖、位錯(cuò)交滑移、位錯(cuò)反應(yīng)及位錯(cuò)與第二相顆粒的交互作用等進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與經(jīng)典位錯(cuò)理論一致。
　　在采用晶體塑性模型模

4、擬金屬多晶體材料變形的方面，本文首先建立了多晶集合體的結(jié)構(gòu)生成及相應(yīng)的網(wǎng)格劃分算法。所建立的算法可方便地生成多種晶粒形貌并按照所提供的網(wǎng)格參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。該算法在含有大量晶粒的情況下尤其方便；而后采用自主編寫(xiě)的晶體塑性計(jì)算程序考察了網(wǎng)格參數(shù)對(duì)金屬多晶體塑性變形模擬結(jié)果的影響。結(jié)果表明，對(duì)應(yīng)于不同的研究尺度，晶體塑性模擬有不同的要求。在預(yù)測(cè)多晶體的整體應(yīng)力應(yīng)變時(shí)，考慮到結(jié)果的可靠性，集合體中應(yīng)至少含有500個(gè)以上晶粒，此時(shí)模擬得到

5、的整體應(yīng)力與實(shí)際值偏差不超過(guò)5％；對(duì)應(yīng)于晶間變形非均勻性，則需要平均在每個(gè)晶粒內(nèi)分配5個(gè)C3D20R單元；對(duì)應(yīng)于晶粒的平均應(yīng)力應(yīng)變，則晶粒平均單元數(shù)應(yīng)在30以上；而若需要進(jìn)一步得到每個(gè)晶粒內(nèi)變形的非均勻性，則晶粒平均單元數(shù)在60以上是必須的；最后，對(duì)純鋁多晶體變形過(guò)程的模擬表明，在變形過(guò)程中，各晶粒的取向逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在多晶體的變形過(guò)程中，由于相鄰晶粒間的相互作用，同一晶粒內(nèi)不同區(qū)域的變形存在明顯的差別，尤其在晶界附近，由于晶界兩側(cè)取向