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时间:2019-03-03
《有限元与蒙特卡罗方法耦合退火过程模拟模型及关键技术的研究》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、山东大学博士学位论文有限元与蒙特卡罗方法耦合的退火过程模拟模型及关键技术研究姓名:申孝民申请学位级别:博士专业:材料加工工程指导教师:关小军20080318山东大学博士学位论文中文摘要随着材料科学和计算机技术的发展,材料的制备科学正从传统的正向研究向逆向研究过渡:从材料组分、微观结构出发,借助计算机模拟预测材料性质,以便生成满足使用要求的功能材料。金属材料的微观组织是在冶炼、铸造、成形加工、热处理工艺过程中形成的,而成形加工及热处理对其最终微观组织结构及其性能起着至关重要的作用。实际生产中,金属材料的塑性变形在宏观及介观尺度上都是不均匀的,这种不均匀性引起材料内部变形储能的不均匀分布,从而导
2、致了退火过程中变形材料内部再结晶动力学的不一致,使退火后材料各部位的组织及性能有较大差异。对金属材料的塑性变形过程进行有限元(FiniteElementMethod,FEM)分析,可以获得变形过程中金属流动及应力应变等详细信息;利用MonteCarlo(MC)方法对变形金属材料的退火过程进行计算机模拟研究,可以定量、连续、动态地观察、检测在实验室中所观察不到或检测不到的现象,更好地认识退火过程中组织演变规律及其内在机理,获得退火组织的特征参数,实现退火过程介观组织设计及其性能预报,为退火工艺优化和高性能材料设计与开发打下坚实的基础。因此,通过FEM与MC方法的耦合,既可以全面了解外界变形条件
3、引起的材料宏观尺度上储能的非均匀分布及其相应的再结晶动力学与平均晶粒尺寸变化,又可以深入研究内部组织结构差异导致的材料介观尺度上储能的非均匀分布及其相应的再结晶动力学与拓扑组织演变过程,具有重要的理论意义和实用价值。MC方法是以概率和统计学理论为基础的一种数值计算方法。它将所求解问题转换成事件概率模型,用计算机抽样得到这个事件出现的概率,并用它作为问题的解。MonteCarloPotts模型(简称MCPotts模型)具有可分析复杂组织与可视化仿真的能力,本文以MCPotts模型为模拟工具,基于现有实验及理论基础依次建立了FEM与MC方法的耦合模型、介观储能密度分布模型及回复模型,完成了对退火
4、过程模拟模型的改进;结合相关退火模拟关键技术,编写了冷变形材料等温退火过程组织模拟程序;通过超低碳高强度烘烤硬化钢板与工业纯铝板的实验研究对模型及其程序进行了验证。首先,本论文分析了现有变形材料退火模型中的储能分布模型,特别是RSRP储能分布模型的不足,从多晶体塑性变形过程中应力、位错密度及储能密度之间的关系出发,解决了以下几个关键问题:①状态变量的转换:有限元模型中流变应力转换为储能密度,②数据的移植:转换得到的储能密度移植为MC模拟区域内的平均储能密度,③介观初始储能场及相应模拟能量场的构建,④形核模型的建立,并据此建立了FEM与MC方法的耦合模型,实现了由宏观应力场向介观摘要储能场的转
5、换,初步解决了冷变形材料宏观及介观尺度上储能的非均匀分布问题。基于FEM与MC的耦合模型,编制了冷变形金属材料等温退火过程模拟程序。以冷轧纯铝板为研究对象,模拟了轧件中靠近表层的储能极大区与靠近心部的储能极小区的再结晶过程,并将模拟结果与实验结果进行了对比。研究发现:①新建的耦合模型能够较好地模拟轧件各部位储能的不同引起的再结晶动力学及再结晶完成时微观组织的差异:储能较高的区域再结晶速度较快、再结晶完成时平均晶粒尺寸较小,储能较低的区域再结晶速度较慢、再结晶完成时平均晶粒尺寸较大,反映的规律与实验观察结果及现有再结晶理论相一致,即退火后轧件表层的晶粒尺寸比心部的更加细小;变形程度越大,再结晶
6、速度越快。②再结晶动力学模拟统计结果与其微观组织直观模拟结果反映的规律相同,且这些结果与现有再结晶理论及实验结果基本一致,不仅表明了再结晶微观组织模拟结果的必然性,而且验证了本文所采用的有限元.再结晶耦合模型的合理性。然后,本论文深入研究了多晶体塑性变形时各种介观及微观结构对位错运动及分布,进而对储能密度分布的影响,并根据其影响机制提出了合理假设并建立了相关的模型。①从Kocks复合模型出发,建立了冷变形材料中储能在不同尺寸晶粒间的分布模型,初步解决了不同晶粒问储能的分布问题;②从晶界对位错运动的作用机制出发,基于Mughrabi的剪切应力分布模型,结合应力、位错密度及储能的关系建立了晶界附
7、近储能的分布模型;③综合考虑了高层错能及低层错能金属材料中胞状组织、孪晶乃至微带、变形带等各种局部缺陷对位错密度分布的影响,提出了局部缺陷引起储能升高的储能分布假设。基于以上模型与合理假设,建立了一个新的介观尺度储能密度分布模型。以冷轧纯铁素体钢板为例,研究了所建模型在退火过程中的应用。①基于不同储能密度分布模型研究了同一平均储能密度下的再结晶退火过程,分析了不同储能分布模型对再结晶微观组织演变及其动力学的影
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