織構(gòu)材料再結(jié)晶退火的蒙特卡羅模型及其模擬研究.pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，材料的制備科學(xué)正從傳統(tǒng)的正向研究向逆向研究過(guò)渡，基于材料的性能來(lái)設(shè)計(jì)其成分、微觀組織結(jié)構(gòu)及其形成工藝已成為可能。變形及熱處理工序?qū)τ诮饘俨牧系奈⒂^組織結(jié)構(gòu)形成過(guò)程及其最終性能至關(guān)重要，其中，退火工藝及其所對(duì)應(yīng)的再結(jié)晶組織和織構(gòu)的演變直接決定了冷變形織構(gòu)材料最終組織結(jié)構(gòu)和性能。織構(gòu)是多晶體材料中晶粒取向偏離隨機(jī)分布的一種介觀結(jié)構(gòu)，其存在狀態(tài)導(dǎo)致了材料性能的相應(yīng)變化，引起了國(guó)際材料學(xué)界的廣泛關(guān)注。近些年來(lái)，材料制備

2、過(guò)程中織構(gòu)形成-演變規(guī)律及其機(jī)理己成為研究熱點(diǎn)，特別是開(kāi)展織構(gòu)材料退火組織演變的模擬研究更為必要。 Monte Carlo(MC)方法是以概率和統(tǒng)計(jì)學(xué)理論為基礎(chǔ)的一種數(shù)值計(jì)算方法，其所屬的MCPotts模型具有分析復(fù)雜組織與可視化仿真的能力，在理想材料晶粒長(zhǎng)大和再結(jié)晶模擬中已得到成功應(yīng)用，這為織構(gòu)材料退火組織演變模型及其模擬研究奠定了良好基礎(chǔ)。因此，為了初步實(shí)現(xiàn)織構(gòu)材料再結(jié)晶組織及其織構(gòu)變化規(guī)律的模擬預(yù)報(bào)，進(jìn)行織構(gòu)材料退火工藝優(yōu)

3、化的模擬試驗(yàn)，深入認(rèn)識(shí)材料再結(jié)晶組織及其織構(gòu)的變化和形成機(jī)制，進(jìn)一步探討再結(jié)晶織構(gòu)形成理論，豐富材料微觀組織結(jié)構(gòu)變化過(guò)程的模擬研究和計(jì)算材料學(xué)理論，本文采用MC方法進(jìn)行了織構(gòu)材料退火組織演變的建模及其模擬研究，這一研究具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。 首先，鑒于建模和模擬結(jié)果分析的需要，本文自主開(kāi)發(fā)了一些相關(guān)的關(guān)鍵模擬技術(shù)，主要包括：提出了一種新的晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)方法；給出了兩種晶粒邊數(shù)統(tǒng)計(jì)方法及用途；通過(guò)三參數(shù)非線性擬合方法，很好地

4、解決了傳統(tǒng)晶粒長(zhǎng)大擬合方法精度偏低的問(wèn)題；采用一種改進(jìn)的Voronoi模型以生成不同的平均應(yīng)變和晶粒尺寸分布的模擬初始組織。 其次，全面研究了二維正常晶粒長(zhǎng)大MC模型中“點(diǎn)陣類型”、“結(jié)點(diǎn)的選擇方法”、“能量計(jì)算過(guò)程考慮鄰近結(jié)點(diǎn)的情況”和“新取向的選擇方法”等不同模型參數(shù)對(duì)晶粒長(zhǎng)大過(guò)程的影響，通過(guò)晶粒長(zhǎng)大指數(shù)和模擬效率的綜合分析，發(fā)現(xiàn)了最優(yōu)的參數(shù)組合模型，即“六邊形點(diǎn)陣”、“隨機(jī)選擇結(jié)點(diǎn)”、“能量計(jì)算考慮最鄰近和次鄰近結(jié)點(diǎn)”和“

5、從鄰近結(jié)點(diǎn)中選擇新取向”的組合最理想。 隨后，為了拓展模擬研究范圍，提出了一個(gè)三維六方點(diǎn)陣正常晶粒長(zhǎng)大MC模型，并與三維立方點(diǎn)陣正常晶粒長(zhǎng)大MC模型的模擬結(jié)果進(jìn)行了全面對(duì)比，所模擬的晶粒尺寸和晶粒面數(shù)分布與三維立方點(diǎn)陣模型和現(xiàn)有理論分析均吻合，而考慮“更大范圍鄰近結(jié)點(diǎn)”的能量計(jì)算方式的這一模型所模擬的晶粒長(zhǎng)大指數(shù)更接近理論值。 然后，基于二維正常晶粒長(zhǎng)大MC優(yōu)化模型，創(chuàng)建了一個(gè)新的織構(gòu)材料晶粒長(zhǎng)大MC模型。該模型采用歐拉

6、角表示晶粒取向，使得晶粒取向、織構(gòu)和取向差具有實(shí)際意義；使得晶界各向異性對(duì)晶粒長(zhǎng)大的影響更接近實(shí)際。在初始組織中可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定織構(gòu)狀態(tài)，模擬織構(gòu)對(duì)晶粒長(zhǎng)大的影響。與傳統(tǒng)的MC模型相比，該模型不僅適合于織構(gòu)材料正常晶粒長(zhǎng)大的模擬，而且可用于異常晶粒長(zhǎng)大的模擬。對(duì)于晶粒尺寸近似呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布且具有單一立方織構(gòu)的初始組織的異常晶粒長(zhǎng)大過(guò)程模擬表明，平均晶粒尺寸隨織構(gòu)半峰寬增加而變大；織構(gòu)體積分?jǐn)?shù)總體影響較小，只在半峰寬較小且體積分?jǐn)?shù)很大時(shí)才

7、抑制晶粒長(zhǎng)大；平均晶粒長(zhǎng)大速度受到晶界能量、遷移率和異常長(zhǎng)大晶粒數(shù)量的影響。 再者，基于織構(gòu)材料晶粒長(zhǎng)大MC模型、相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究和以前建立的二維再結(jié)晶MC模型，創(chuàng)建了一個(gè)新的具有明確物理基礎(chǔ)的織構(gòu)材料變溫回復(fù)-再結(jié)晶模型。該模型采用塑性變形理論或EBSD實(shí)驗(yàn)方法構(gòu)建介觀初始儲(chǔ)能場(chǎng)；考慮了織構(gòu)對(duì)回復(fù)階段儲(chǔ)能變化以及亞晶長(zhǎng)大的影響；形核遵循亞晶異常長(zhǎng)大形核機(jī)制；針對(duì)不同材料的再結(jié)晶織構(gòu)發(fā)展特點(diǎn)，在再結(jié)晶形核-長(zhǎng)大模型中分別引入定向形

8、核機(jī)制和選擇生長(zhǎng)機(jī)制；考慮了退火溫度變化對(duì)再結(jié)晶退火過(guò)程組織演變的影響。相應(yīng)的模擬研究所揭示的變形量和退火溫度對(duì)于再結(jié)晶組織演變的影響規(guī)律與相關(guān)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)有再結(jié)晶理論一致。 最后，綜合所創(chuàng)建的二維織構(gòu)材料晶粒長(zhǎng)大和再結(jié)晶MC模型，本文得到了一個(gè)全面考慮織構(gòu)對(duì)材料再結(jié)晶退火過(guò)程組織演變影響的二維織構(gòu)材料退火組織模擬模型。且分別針對(duì)冷軋ELC-BH鋼板及1060(L2)工業(yè)純鋁板進(jìn)行了退火實(shí)驗(yàn)和模擬研究，證實(shí)了該模型是合理的且較好地模