第29卷第3期重庆交通大学学报(自然科学版)V o.l 29 No .32010年6月J OURNAL OF C HONGQ I NG JI AOTONG UN I VER SITY (NATURAL SC IE N CE)Jun .2010金属再结晶组织模拟及实验对比研究收稿日期:2010-02-05;修订日期:2010-3-20基金项目:重庆市自然科学基金计划项目(C STC,2007BB4436);重庆市教育委员会科学技术研究项目(K J 080407)作者简介:张继祥(1971-),男,山东单县人,副教授,博士后,主要从事汽车新材料成形技术研究。
Ema i :l ji x i angz h ang @163.co m 。
张继祥1,文 辉1,刘运腾2(1.重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆400074;2.山东省科学院新材料研究所,山东济南250014)摘要:金属再结晶过程计算机组织模拟,可以仿真实验中观测不到的组织演变细节,得到定量的特征参数,预报退火后的材料性能,指导热处理工艺设计。
构建一个新的静态再结晶M C Potts 模拟模型,并以1060铝合金为研究对象,进行再结晶模拟与实验对比研究。
结果表明,1060铝合金表现出明显的再结晶特征,得到了近似等轴晶组织;新模型模拟的再结晶形核位置、组织形貌与实验结果一致,组织演变过程也与实验结果基本一致,但模拟的再结晶等轴晶与实验近似等轴晶不完全一致,模拟的再结晶速度也低于实验结果。
关 键 词:再结晶;模拟;M onte Car l o中图分类号:TG111O189 文献标志码:A 文章编号:1674-0696(2010)03-0493-04Co m parative St udy ofM etal Re crystallization M icrostructureby Si m ulation and Experi m entZ HANG Ji x iang 1,W EN H u i 1,L I U Yun teng2(1.Schoo l ofM echa tron i cs &A uto m otive Eng i neer i ng ,Chongqi ng J i aotong U n i versity ,Chongq i ng 400074,Ch i na ;2.N e w M aterial R esearch Institute o f Shandong Sc i ences A cade m y ,Ji nan 250014,Shandong ,China)Abstrac t :T he si m ulati on o fm eta l re crystalliza ti on by co m puter cou l d s i m u l a te t he deta ils of m icro structure evo luti on wh i ch can t be observed i n exper i m ent .M ean w hil e ,the quan tita ti ve character i stic para m eters are obta i ned ,and t he properties o fm ater i a l after annea li ng are also f o recasted ,wh ich can gu i de the hea t treat ment process desi gn .A new M C Po tts si m u l a ti on m ode l is constructed ,and i s used to si m ulate the sta tic re cry sta llizati on behav i ours of 1060a l um i nu m all oy .W ith the si m u l ation ,an expe ri m en tal study i s also ca rried out fo r comparison .T he resu lts show that 1060al um inu m a lloy presents si g n ifican t re cry sta llizati on character istics ,and an approx i m ate l y i som etr i c c rysta l o rganization is obta i ned i n the re crysta lli zati on exper i m ent .The s i m u l ation resu lts o f re cry sta llizati on nuc l eation l o ca ti on and m icrostructure mo rpho l ogy got by th i s m ode l are consi stent w ith exper i m enta l res u lts ,and the evo luti on process o f crystal structure i s also consistent w ith exper i m enta l results genera lly ;how eve r ,t he si m ulated iso m etric crystal organ i zati on is not exactl y cons i sten tw i th approx i m ate l y i so m etric crysta l organ izati on by experi m ent ,and the ve l oc ity o f re cry sta llizati on by si m u lati on is a l so lo w er than tha t by ex peri m ent .K ey word s :re crystalliza ti on ;si m ulati on ;M onte C arlo金属再结晶过程计算机组织模拟,可以仿真实验中观测不到的组织演变细节,得到定量的特征参数,预报退火后的材料性能,指导热处理工艺设计,因此,再结晶计算机组织模拟具有重要的理论和应用价值。
目前组织模拟模型主要有M onte Carl oPo tts 模型[1-3]、Cellular Auto m ata 模型[4-5]、几何模型[6]、网格模型[7]等,其中,M on te C arl o Po tts 模型(以下简称M C Potts 模型)是一种离散的、以概率统计为基础的图像模拟模型,可以模拟再结晶形核、动态再结晶、静态再结晶等所有特征,可以数值计算再结晶所有参数,可以通过计算机图形技术,方便地仿真再结晶组织及其演变过程,因此,MC Potts 模型逐渐成为再结晶组织模拟的首选模型。
近10a 来,该模型得到充分地重视,美国橡树岭国家实验室、森地亚国家实验室、德国Raabe 研究组等都对该模型的建立和发展做了大量工作,国内山东大学、重庆交通大学、中科院金属所等也对该模型进行了深入的研究,并应用于高纯铝、纯铜、I F 钢的再结晶组织模拟[8-11]。
本文以冷加工1060铝合金为研究对象,采用改进的MC Potts 模型,进行静态再结晶模拟和实验对比研究,进一步优化模型,验证模型的有效性与适用性。
1 新模型算法目前M C Potts模型在回复过程、形核模型、二相粒子、织构等方面存在不足,本文对模型的回复过程和形核模型进行了改进,构建一个新的静态再结晶MC Potts模拟模型,算法如下:1.1 初值输入包括总结点数N,总取向数Q,冷轧压下率 等。
1.2 组织离散化首先通过几何拓扑方法建立一个二维等轴晶组织;然后将组织进行离散,即在组织内部均匀布置三角形点阵,点阵中每个结点代表一定的面积;最后对每个结点赋予取向数。
S j(j=1,,N)。
结点取向数代表结点所处晶粒的取向,一个晶粒内的结点取向数都相同,晶界两侧的结点取向数不同,这样就可以用结点取向来描述微观组织。
1.3 初始组织建立再结晶初始组织是冷轧纤维组织,建立的方法有两种:!建立实际冷轧纤维组织数字化模型,这种方法能得到非常接近于实际的组织,但是实现困难;∀采用组织变换方法进行处理。
本文采用组织变换方法,根据Taylor多晶体形变模型,依据冷轧压下率 ,在2)建立的离散组织上每隔一定行抽取一行数据,并将列扩展,组成新的点阵,这样生成的组织晶粒沿一个方向(轧向)伸长,沿另一个方向(高向)压缩,较好地模拟了冷轧纤维组织特征。
1.4 赋予结点能量结点能量包括晶界能和储存能,任一结点j能量E j可描述为:E j=#nn k=1J k j(1- S j S k j)+H m0,j=1,,N(1)式中:nn为结点j的邻近结点的个数;S k j为结点j第k个邻近结点的取向数; 为Kronecker符号;J k j为结点j与第k个邻近结点间晶界能,J/m2;H m0为开始时刻结点j的储存能二维密度,J/m2。
1.5 回复目前的MC Po tts模型都忽略了回复过程,这显然与实际情况不符,本文对回复过程描述为:组织不发生变化,储存能随时间变化,即:H j=H1/2m0-k∃T∃ln(R e/b)1/2C M G1/2ln(1+t)2(2)式中:k为波尔兹曼常数;T为退火温度,K;R e为位错的平均影响范围,m;b为柏氏矢量,m;C为材料常数;为表征位错相互作用的常数;M为Tay lor 因子;G为剪切模量,GPa;t为实际退火时间,s。
1.6 再结晶形核采用作者提出的新形核模型,在体系中随机选取一个结点j,如该结点是未再结晶结点,按照文献[9]提出的形核模型进行计算,如形核成功,令H j= 0,转到第1.8步;如形核不成功或该结点是已再结晶结点,转到第1.7步。
1.7 晶粒生长MC Potts模型模拟新形核晶粒的生长是通过结点储存能消耗促使其取向转换,使得晶界迁移来实现的,实现方法是:考察结点j邻近6结点,如全是未再结晶结点,转到第1.8步;如已再结晶结点数有s个,分别尝试将S j转向S k j(1%k%s),结点j储存能暂时设定为H j=0,计算取向转变前后能量变化!E k j(1%k%s),判断出其中的最小值!E j以及对应的近邻结点k&及其取向数S k&j,计算S j转换为S k&j 的几率w j:w j=m k j!E jm ax(m!E j)!E j<0m k j!E jm ax(m!Ej)exp(-!E j/kT)!E j>0(3)式中:k为波尔兹曼常数;T为绝对温度,K;m为大角度晶界的迁移率,m4/(s.J),m k j为结点j与临近结点k之间的晶界迁移率,m4/(s.J),!E j为结点j 取向转换前后的能量差,J/m2。