钢铁材料热轧过程组织演化的数学模型研究

材料研究的深入和相关工业的需求 ,推动材料向模型化、定量化的方向发展。模型化和组织演变预测技术是研究钢铁热轧过程预测不同化学成分、不同工艺条件下组织演变规律与性能的投资小、见效快的好方法。本文较系统总结了钢铁材料热轧过程中动态再结晶组织演化的数学模型 ,静态再结晶组织演化的数学模型和晶粒尺寸数学模型的描述 ,并给出了它们的适用条件及范围和发展方向     

低碳含铌钢粗晶奥氏体再结晶的数值模拟

建立了基于析出、回复和再结晶之间交互作用的低碳含铌钢组织预测模型,用于模拟低碳含铌钢热轧道次间隔期间粗晶奥氏体的再结晶及析出行为,并讨论了模型在绘制低碳含铌钢的再结晶-析出-时间-温度(RPTT)图中的应用. 结果表明,模型对两种低碳含铌钢在热变形道次间隔期间内粗晶奥氏体的组织演变过程的模拟结果与测试数据符合较好,可以有效预测不同低碳含铌钢在不同工艺条件下的析出和再结晶行为.     

控氮304不锈钢热变形过程中的动态再结晶行为研究

为优化控氮304不锈钢热成型的工艺,深入分析了其在热变形过程中的动态再结晶行为并建立了完整的数学模型。通过热压缩实验获得了16组不同温度、不同应变速率下的流动应力曲线,采用二次求导法确定了发生动态再结晶的临界应力σc、饱和应力σs、稳态应力σss等特征值,结合相应的显微组织分析表明:随着变形温度的升高、应变速率的减小,动态再结晶易发生。基于Estrin-Mecking位错密度演化方程及Avrami动力学方程,建立了该材料的热变形流动应力模型及动态再结晶动力学模型,模型预测的流动应力曲线与实验结果吻合较好,动力学模型预测的动态再结晶分数曲线也与实验观察到的晶粒组织变化趋势一致,证明了该数学模型的有效性。     

含铌微合金钢的再结晶组织演化模拟

建立了热轧时流变应力、回复、再结晶及析出的物理冶金模型,用于计算轧制时位错密度变化、再结晶形核、再结晶晶粒长大以及粒子析出等. 结果表明,模型对含铌微合金钢在不同的热轧形变条件下模拟结果与实验值符合较好,可以有效预测在不同热轧形变条件下的再结晶体积分数与再结晶晶粒大小. 模型包含基本冶金现象的描述,原则上通过调整材料基本参数,可以运用于不同的钢种.     

基于ABAQUS二次开发的轧制过程组织性能预测

考虑到实际板带轧制过程中组织性能预测的精度缺陷,基于低合金钢轧制过程动态再结晶型的真实应力-应变数学模型及微观组织模型,通过VUMAT及USDFLD数据接口,依托于ABAQUS有限元软件,对软件材料子程序及其微观组织模型进行了二次开发研究,最后对Q345B板带的热轧制过程进行了模拟验证。研究结果表明:模型的预测精度较高,板带横截面处各部位的静态软化率和奥氏体晶粒直径差别较大,板带中心处的奥氏体晶粒分布比较均匀,板带侧面及表面奥氏体晶粒细化程度不大,要靠后续的精轧过程继续细化。     

介观层次优化设计在高新材料开发中的应用

以先进超高温用铂材料的研制为例,介绍了利用可视化、定量化仿真技术于介观层次设计开发高新材料的有效途径.首先建立了复相材料形变、再结晶及晶粒长大过程中显微组织演变的三维仿真模型.然后以应用真实材料和过程表征参量的仿真预测为指导,实际制备得到了具有长时间稳定性的细晶复相组织.文中也对介观层次材料设计的可行性、可靠性和发展方向进行了讨论.     

15MnV钢热变形中组织变化的数学模型

采用热压模拟机研究了15MnV钢热形变中及其以后的冷却后的组织变化，得到计算组织变化的数学模型，该模型中包括有：单道次形变，多道次形变，等温形变，连续冷却形变等条件的奥氏体再结晶动力学，再结晶晶粒尺寸，再结晶后的晶粒粗化，以及热变形奥氏体转变的铁素体等，用模型计算的结果与实测值吻合较好。     

喷射沉积AZ31镁合金微观组织与力学性能

采用喷射沉积方法制备了AZ31镁合金沉积柱坯,利用热轧作为后续加工,研究了镁合金的组织变化及材料的性能.实验结果表明:沉积态合金组织均匀,晶粒细小(平均晶粒尺寸约为20μm);热轧变形的致密化过程、动态再结晶以及退火再结晶使合金具有良好的组织结构和力学性能;轧制态试样断口呈现为脆性解理断裂方式,退火态试样断口则表现为脆性和韧性断裂混合机制.     

计算机模拟厚板弯曲变形材料的再结晶过程

文章分析了厚板弯曲的应变沿板厚方向的分布状态,考虑了应变中心层区域处应力加载过程对于应变储能的影响,建立了厚板弯曲再结晶过程的模型,利用Monte Carlo方法模拟得到了变形材料的再结晶晶粒尺寸分布,结果表明,晶粒尺寸分布具有局部不均匀性,但在整个分布范围,再结晶晶粒尺寸分布仍然服从对数正态分布规律。所建立的再结晶模拟模型能够预测不同变形量状态下的再结晶退火显微组织。     

大变形量Al-Zn-Mg-Cu合金的热轧板再结晶行为

采用光学显微镜、维氏硬度计和透射电子显微镜研究Al-Zn-Mg-Cu合金大变形热轧板退火过程中的组织演变和力学性能变化,探讨再结晶形核和长大机制,并通过分析位错和储存能变化规律研究动态回复对再结晶的影响。研究结果表明:Al-Zn-Mg-Cu合金在390℃热轧变形时,其主要软化机理为动态回复;当变形至90%时,其组织由直径为0.3～0.6μm的位错胞和亚晶组成,这种回复时发生的多边形化促进了随后退火过程中静态再结晶的进行。根据硬度曲线和组织分析确定总变形量为90%的Al-Zn-Mg-Cu热轧板再结晶起始温度为400℃,完全再结晶温度为420℃;超过450℃时再结晶晶粒明显长大,再结晶形核机制以亚晶合并形核为主。     

316LN热变形行为及动态再结晶晶粒的演变规律

采用热压缩试验研究了316LN不锈钢在温度1250℃-900℃,应变速率0．005s^-1～0．5s^-1,变形程度50％条件下的变形行为和组织演变;分析了变形参数对应力-应变曲线的影响规律,计算获得了该钢热变形应力指数和激活能;并通过动态再结晶晶粒演变规律的研究,建立了该钢热变形动态再结晶图,以及动态再结晶晶粒演变规律模型。研究结果可为316LN不锈钢锻造过程晶粒细匀化的控制提供科学的依据。     

考虑水沙和风沙过程的海滩-沙丘系统耦合演变数学模型研究综述

海滩-沙丘系统耦合演变数学模型同时考虑近岸水沙和风沙过程，可以更好地预测砂质海岸在更大空间尺度上的地貌形态演变，为海岸带保护修复和综合管理提供依据。从概念模型、基于水沙过程的海岸地貌演变模型、海岸风沙输移模型、水沙-风沙耦合模型4个方面概述了海滩-沙丘系统耦合演变数学模型的研究进展。现有海滩-沙丘系统耦合演变数学模型可以模拟风暴作用下的海滩-沙丘侵蚀和泥沙交换、供应限制条件下的风沙输移和沙丘发育等物理过程，并初步具备多年时间尺度上的模拟能力，但在适用性、准确性和计算效率等方面仍存在不足，提出该类模型关键物理/生物过程的考虑、计算效率的提高、空间维度的拓展和实际应用的检验等今后的发展方向。     

82B钢热轧过程中组织及演变计算机模拟

针对某高线车间的生产实际，对82B钢在热轧过程中的组织演变规律进行分析，预测了其晶粒尺寸的大小。在变形温度为900～1050℃、应变速率为0．1—25s^-1、单道次压下的实验条件下，研究了不同参数对临界应变的影响。     

X46级管线钢热连轧过程中结晶组织演变及流变应力的预测

开发描述含铌微合金钢软化行为的再结晶及形变诱导析出模型，并对奥氏体再结晶动力学和结晶组织演变进行了模拟计算。在此基础上建立了计算精轧过程应力-应变曲线的流变应力模型，根据现场数据预测了X46级管线钢精轧过程中的轧制压力。结果表明，该模型的计算结果与实测值吻合较好，反映了工业生产的实际。     

热模拟平面应变条件下的热轧织构研究

以微合金钢为材料,采用光学显微镜和EBSD,研究热模拟平面应变实验条件下再结晶奥氏体和变形奥氏体的织构演变.研究发现,在热模拟平面应变实验的压缩过程中,试样的两个自由端限制了变形区金属的宽向流动,达到了很好的平面应变状态.对于再结晶奥氏体相变工艺,由于相变前奥氏体发生再结晶,无畸变保留,奥氏体分解为仿晶界铁素体、贝氏体和少量的珠光体,织构为{100}011α;对于变形奥氏体相变工艺,未再结晶区的变形促进了铁素体相变,使奥氏体分解为铁素体和珠光体组织,织构为{332}113α和{113}110α.此两种工艺条件下的织构,皆为平面应变条件下的奥氏体相变织构,即热模拟平面应变实验可以达到很好的平面应变状态,可用于研究热轧过程的织构演变.     

连续铸轧流变行为及其组织演变规律

在Gleeblm 1500热／力机上用专制的夹具系统对铝合金铸轧过程流变行为及其影响因素进行模拟实验研究，得到不同变形条件下铝合金瞬态凝固连续固态流变成形过程中的形变规律。研究结果表明：在较低的应变速率（ε^.〈0．1s^-1）下，材料不发生动态再结晶现象；而在较高应变速率（ε^.〉0．5s^-1）下，材料出现再结晶显微组织；模拟铸轧实验过程中得到的材料高温变形抗力大于同样变形条件下热轧模拟得到的稳态流变应力，这与快凝铸轧工艺的工业实验结果相吻合，说明本研究的专制工装与实验系统能基本实现铸轧工艺的物理模拟。     

考虑粒子阻碍效应的再结晶元胞自动机模型

为了更合理地仿真第二相粒子材料的再结晶过程,在单相材料再结晶元胞自动机模型中引入Zener亚晶长大阻力和小粒子钉扎晶界的元胞取向转换规则,创建了细小的第二相粒子材料的再结晶元胞自动机模型,实现了铁素体钢板的再结晶退火过程仿真.结果表明:所建模型全面考虑了变温-回复、晶粒变形储能不均、亚晶异常长大形核机制和小粒子阻碍效应的综合影响,模拟的组织演变及其动力学分析揭示了与理论和实际相符的规律:小粒子尺寸越小、数量越多,再结晶抑制效应越强,再结晶的孕育期及过程越长.     

IF钢生产过程中的织构演变

对IF钢生产过程中热轧、冷轧及退火试样的织构演变进行研究.分别借助EBSD和XRD测定和计算了热轧、退火及冷轧试样的取向分布函数及相关织构组分的体积分数.结果发现,热轧板在变形过程中发生了动态再结晶,晶粒为细小的等轴晶,为后续组织发展提供了基础;热轧后试样中的织构很弱,不会影响冷轧织构组分及含量.冷轧过程是织构形成的主要过程,试样中含有4种主要的织构组分:{001}〈110〉、{111｝〈110〉、{111}〈112〉和{112}〈110〉.退火过程中发生再结晶,4种冷轧织构组分在退火过程中均分别转变为{111｝面织构.     

奥氏体化温度对Fe-17Mn-0.05C钢组织和拉伸性能的影响

对一种热轧态高锰减振结构钢进行不同温度的热处理,研究了奥氏体化温度对其组织和拉伸性能的影响.结果表明:在600℃条件下,逆转变得到的全奥氏体组织只发生回复过程,冷却时ε马氏体含量比热轧态高,此时的拉伸强度和加工硬化率也较大.当奥氏体化温度为800℃或更高时,奥氏体发生完全静态再结晶.原始奥氏体晶粒尺寸和ε马氏体含量随着温度的升高而增加,但钢的力学性能随之变差.在1 200℃下奥氏体化处理后,组织中ε马氏体板条十分细碎;在拉伸时由于奥氏体晶粒尺寸太大,实验钢发生了沿晶断裂.     

IN718合金多步锻造过程中微观组织演变数值模拟

为研究多步锻造过程中工艺参数对大锻件微观组织演变的影响,将再结晶模型和晶粒长大模型加入到模拟软件中,实现了金属高温塑性变形-传热-微观组织演变的耦合.采用数值模拟的方法,研究始锻温度、压下量和空冷时间对多步锻造过程中IN718合金微观组织演变的影响.结果表明,在多步锻造过程中,始锻温度和变形量对微观组织演变影响显著,空冷温度决定了晶粒尺寸大小,而空冷时间对晶粒尺寸影响较小,长时间空冷不会造成晶粒明显粗化.