检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：卜晓兵湖南大学

学位级别：博士

在铸件凝固过程中,晶粒组织的控制是非常重要的,晶粒组织对铸件质量和力学性能有显著的影响。以前,主要依靠半经验公式和实验来控制成型过程的微观组织演变,但会延长产品的生产周期、增加生产成本,也不能直观了解微观组织形貌演变的过... 详细信息

在铸件凝固过程中,晶粒组织的控制是非常重要的,晶粒组织对铸件质量和力学性能有显著的影响。以前,主要依靠半经验公式和实验来控制成型过程的微观组织演变,但会延长产品的生产周期、增加生产成本,也不能直观了解微观组织形貌演变的过程。随着高性能计算设备以及新模拟手段的出现,模拟仿真逐渐成为了预测材料微观组织形貌演变的有效手段。微观组织模拟已经从半定量、固定点形核的确定性模型发展到了定量、随机形核的随机性模型。本文进行的微观组织模拟采用的是元胞自动机有限元模型,在此模型中,将枝晶尖端生长的动力学和晶向作为过冷度的函数。元胞自动机有限元模型非常适合用来跟踪柱状晶前端的生长情况。本文解决了微观组织模拟过程中,在界面传热、液相流动以及形核方面仍存在的一些问题,进一步提高了微观组织模拟的精度,使得模拟结果在柱状晶和等轴晶分布、比例、晶粒尺寸方面,更接近实验结果。主要的研究结果有以下几个方面： (1)基于ProCAST的反求方法,采用实验测得的铸件和模具的温度数据,建立了反热传导求解界面换热系数的模型,求解了Al-2%Cu二元合金、Al-9.75%Si-2%Cu三元合金以及A356铝合金的界面换热系数曲线。并将其代入到合金的微观组织模拟中,改善了以往微观组织模拟采用恒定的界面换热系数值模拟的结果,提高了合金微观组织模拟的精度。通过实验测得的温度曲线与模拟的温度曲线进行对比,验证所求解的界面换热曲线的准确性,分析了界面换热曲线的变化趋势,讨论了Al-2%Cu二元合金与Al-9.75%Si-2%Cu三元合金界面换热曲线产生差异的原因；另外,还通过反分析模型求解了不同浇注温度下的水冷系统的界面换热系数。 (2)将Eyring模型和Miedema模型相结合,建立了二元以及三元合金液相扩散系数的理论计算模型,改善了以往微观组织模拟中采用固定液相扩散系数的模拟结果,提高了微观模拟的精度。在Eyring模型中,引入合金黏度随时间变化的曲线,进一步提高了计算的准确性,并将Eyring模型计算的液相扩散系数作为合金的自扩散系数,代入到Miedema模型中进行修正,最终计算出合金真实的液相扩散系数；另外,结合Toop模型,将液相扩散系数的理论计算模型进行扩展,计算了三元合金的液相扩散系数。将理论计算的液相扩散系数与实验测得的数值进行对比,验证了液相扩散系数理论计算模型的正确性。 (3)根据实验条件和铸件材料,基于元胞自动机的形核模型和生长模型,对Al-2%Cu二元合金和Al-9.75%Si-2%Cu三元合金的形核密度以及过冷度进行了研究,选择了合适的微观模拟参数；并采用常温模具中的铸件进行微观组织模拟,模拟的结果与实验结果吻合性很好,验证了基于反求的界面换热系数、计算的液相扩散系数以及确定的微观参数的微观组织模拟模型的正确性。

关键词：元胞自动机反热传导界面换热系数液相扩散系数形核密度过冷度微观组织模拟

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叶片模锻过程中微观组织演变的数值模拟研究

叶片模锻过程中微观组织演变的数值模拟研究

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作者：周盛西华大学

学位级别：硕士

叶片是汽轮机中的核心零部件,起着能量转换的关键作用。叶片轮廓曲面复杂,所用材料多为变形抗力大的特种合金。叶片锻造是一个受诸多因素影响的复杂工艺过程,且成形期间的变形、传热和微观组织演变之间存在一系列交互作用。由于微观组... 详细信息

叶片是汽轮机中的核心零部件,起着能量转换的关键作用。叶片轮廓曲面复杂,所用材料多为变形抗力大的特种合金。叶片锻造是一个受诸多因素影响的复杂工艺过程,且成形期间的变形、传热和微观组织演变之间存在一系列交互作用。由于微观组织在很大程度上决定了叶片的宏观机械性能,所以,预测和控制模锻叶片的微观组织,对于拟定合理的模锻工艺方案、提高叶片的综合机械性能具有重要的现实意义。本文借助有限元数值模拟技术,采用能反映材料流动应力的本构关系和微观组织演变的元胞自动机法,研究叶片的模锻成形过程及其微观组织演变。同时,考虑到始锻温度、始锻能量、模具预热温度和界面摩擦系数等多因素对叶片成形质量及其最终组织的影响,本文引入了正交实验法,以寻求既能保证叶片成形质量又能满足终锻组织和性能要求的模锻工艺方案。研究结果表明:(1)叶片模锻过程中,其叶根和叶身部位的变形量及其分布不尽相同,叶身部位变形较叶根部位大;温度分布也不均匀且叶身部位的不均匀性要比叶根大。相同条件下,较高的始锻温度有利于坯料金属的流动,使之易于充模成形,从而减少锤击次数。良好的润滑条件(即较小的摩擦系数)可以改善金属的流动性,降低坯料与模具接触面的摩擦力,还可以减少接触界面层的坯料不均匀变形,以及由此造成的残余应力。(2)应用元胞自动机法,可以较好地揭示模锻叶片成形过程中的动态再结晶现象,包括晶粒的形核、生长、位向,以及尺寸大小和分布,获得同经典理论和物理实验基本一致的叶片终锻组织结构。(3)由于锤击速度极快,变形瞬间温度对动态再结晶晶粒形核和晶粒尺寸的影响较小,所以模锻叶片动态再结晶晶粒的形核率和晶粒尺寸主要与应变速率有关。(4)无论是叶根截面或是叶身截面,其上不同区域的再结晶晶粒平均尺寸从小到大依次为:自由表面区＜接触界面区＜芯部区,这实际上由三个区域的应变速率、温度变化和摩擦约束等因素所决定。(5)终锻叶片空冷后各区域的平均晶粒尺寸与该区域的温度高低和变化快慢有关。

关键词：汽轮机叶片模锻成形动态再结晶元胞自动机微观组织模拟正交实验法

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M50轴承钢热变形过程微观组织演化的数值模拟研究

M50轴承钢热变形过程微观组织演化的数值模拟研究

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作者：陈国鑫大连工业大学

学位级别：硕士

M50钢是一种高合金、高速、高温轴承钢,具有优良的高温机械性能和优越的耐磨性,是目前理想的高温轴承材料,被广泛应用于航空航天等领域。由于M50钢轴承服役条件苛刻,其服役性能要求高,而轴承从“材到件”制备流程中涉及多个复杂热变形... 详细信息

M50钢是一种高合金、高速、高温轴承钢,具有优良的高温机械性能和优越的耐磨性,是目前理想的高温轴承材料,被广泛应用于航空航天等领域。由于M50钢轴承服役条件苛刻,其服役性能要求高,而轴承从“材到件”制备流程中涉及多个复杂热变形加工工序,显然热变形控制已成为影响轴承性能至关重要的一环,因此M50钢热变形行为研究对轴承构件的组织均匀性、变形缺陷以及不同热变形工艺控制具有重要意义。M50钢轴承件的力学性能及使用寿命与M50钢坯的热塑性成形有直接联系,M50钢的锻造成形过程中存在普遍而又非常重要的动态再结晶（DRX）和动态回复（DRV）等动态软化的冶金现象。动态再结晶现象不仅能影响材料热成形过程中的流动应力,还可以显著改变成形材料的微观组织,这反过来又会影响到热成型工件的组织特征和机械性能。利用锻造实验结果研究了不同工艺条件对M50钢微观结构和机械性能的影响,从实验效率和节约能源的角度出发,通过制定合适的数学理论模型,使用有限元软件来完成材料热成形过程中的微观组织调控和加工工艺的优化等具有重要意义。本文以M50钢为研究材料,使用Gleeble3800型热模拟试验器,进行了M50钢热变形试验,深入研究了M50钢在不同变化温度和不同应变速度条件下的热应力曲线关系,建立了M50钢本构方程和热加工图,利用试验数据和微观组织理论解析了M50钢的动态再结晶行为及其变化规律,建立了微观组织演化模型,并通过有限元软件DEFORM分析了M50钢的多向锻造和微观组织演变规律。论文的主要研究内容和结论包括: （1）基于材料热模拟实验应力-应变数据,结合多阶多项式应变补偿方法,建立了高精度应变补偿型M50钢高温本构方程,为热变形模拟计算提供准确的基础数据。使用Gleeble 3800热模拟机完成了M50钢单道次热压缩试验,通过对流动应力曲线分析,得知M50钢在变形抗力未达到峰值应力前,变形温度降低和应变速率升高,变形抗力随之增加,峰值应力后,出现明显的动态回复现象。基于流动应力曲线的分析,得到M50钢热变形激活能,并建立了高温热变形本构方程。为了提高本构方程的计算精度,对材料参数采用多项式表达,并对M50本构方程进行应变补偿,得到基于应变补偿型本构方程,应变补偿型的本构方程能精确预测在本实验范围内流动应力。（2）根据不同应变条件下的流动应力值,建立了M50钢的功率耗散图和失稳图,并将其叠加构成M50钢热加工图,为M50钢热变形模拟计算和锻造实验提供了精确的热变形工艺。根据热加工图,得到M50钢最佳加工范围:1050-1150℃,0.01-1s-1。对真应变为1.2的热加工图中的失稳区和热加工区域进行微观组织验证,得出最佳热加工区域再结晶充分,再结晶晶粒细小且均匀。（3）通过热压缩试样,研究了M50钢动态再结晶微观结构特征。变形温度和应变速率对动态再结晶晶粒均有影响,当应变速率一定时,随着温度的增加,动态再结晶转化率也更高直至完全转化,再结晶晶粒尺寸也逐渐增大。当变形温度一定时,应变速率增加,热变形过程的时间较短,变形后再结晶晶粒生长没有充足的时间进行,使得再结晶晶粒尺寸较小;当应变速率足够高时,由于高应变速率下热变形过程时间短暂,使得再结晶晶粒出现大小不一的情况。基于加工硬化理论,构建了M50钢发生动态再结晶的临界应变模型、动态再结晶动力学模型和再结晶晶粒尺寸模型,并为M50钢微观组织模拟提供了理论模型。（4）基于M50钢热压缩实验得到的本构方程、动态再结晶动力学模型和晶粒长大模型,并基于元胞自动机建立的位错密度模型,使用有限元软件DEFORM完成了M50钢多向锻造模拟,及其过程的微观组织演化模拟,并通过实验进行了验证。结果表明,随着锻造过程中应变的增加,等效应变场、温度场和损伤值均增加,初始的微观晶粒逐步被细小的再结晶晶粒所替代,晶粒得到显著的细化,且到锻造结束时为均匀细小的等轴再结晶晶粒。通过M50钢锻造实验,观察到不同道次结束的晶粒变化趋势与模拟结果相同,晶粒大小大致相同,这验证了本文建立的元胞自动机模型能够准确预测M50钢锻造过程中的微观组织演化,为M50钢的锻造实验研究和工业实际生产提供了重要的参考价值和指导意义。

关键词： M50钢本构方程热加工图动态再结晶多向锻造微观组织模拟

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CPR1000工程主泵支承座铸造工艺优化及铸件微观组织数值模拟研究

CPR1000工程主泵支承座铸造工艺优化及铸件微观组织数值模拟研究

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作者：张晏贵州大学

学位级别：硕士

本课题研究的铸件为核主泵支承座,壁厚超过200mm,重量接近2.5t,属厚大件,材料为法国公司AFNOR生产的12MDV6,对应国内牌号ZG12MnMo V。在生产中发现铸件存在缩孔、缩松、粘砂等缺陷,考虑到核泵工作环境恶劣,对铸件质量要求极高,本课题通... 详细信息

本课题研究的铸件为核主泵支承座,壁厚超过200mm,重量接近2.5t,属厚大件,材料为法国公司AFNOR生产的12MDV6,对应国内牌号ZG12MnMo V。在生产中发现铸件存在缩孔、缩松、粘砂等缺陷,考虑到核泵工作环境恶劣,对铸件质量要求极高,本课题通过研究提出了消除缺陷的解决方案。模拟分析原工艺方案,找到了缺陷成因,通过改进措施消除了缩孔、缩松等缺陷。针对铸件热节区的粘砂缺陷,改进涂料工艺,避免了粘砂缺陷。采用均匀设计试验,以定量缩孔和Niyama缩松为试验结果,利用Minitab软件进行回归分析,确定了浇注温度、浇注时间、砂型初始温度对铸件质量的影响显著性并获得了最优解组合。采用Procast软件的二次枝晶臂间距模块模拟研究了浇铸温度对微观偏析的影响,发现在合理范围内降低铸钢的浇铸温度,有助于减少微观偏析,提高铸件质量,细化铸件组织。本课题成功地解决了企业生产遇到的缩孔、缩松、粘砂等缺陷问题,使工艺更加合理。给企业带来了一定的经济效益,降低了设计成本,为相关研究提供了一定的理论依据。

关键词：主泵支承座铸造工艺优化铸造涂料均匀设计微观组织模拟

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考虑电子束焊接头微观组织特性的疲劳裂纹萌生数值模拟

考虑电子束焊接头微观组织特性的疲劳裂纹萌生数值模拟

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作者：左永基南京航空航天大学

学位级别：硕士

电子束焊作为一种优良的连接加工技术,在航空航天制造领域应用日益广泛,尤其在新一代航空发动机的重要承力部件中得到应用。这也对此类构件疲劳性能的评估提出了更高的要求。结构疲劳研究中广泛采用的唯象模型难以揭示疲劳破坏的物理机... 详细信息

电子束焊作为一种优良的连接加工技术,在航空航天制造领域应用日益广泛,尤其在新一代航空发动机的重要承力部件中得到应用。这也对此类构件疲劳性能的评估提出了更高的要求。结构疲劳研究中广泛采用的唯象模型难以揭示疲劳破坏的物理机制和过程,且需要大量的时间和成本,因此采用数值模拟的方法从微观角度来研究疲劳失效成为研究的热点。本文以TC4-DT钛合金电子束焊接头为研究对象,考虑接头区微观组织非均匀性的影响,基于位错滑移理论,对其裂纹萌生展开数值模拟及试验研究。本文首先基于传统泰森多边形法和经改进的泰森多边形法,分别建立了TC4-DT母材区等轴晶组织及电子束焊接头区(包含柱状晶、细等轴晶和粗等轴晶)微观组织的几何模型。所建立的几何模型与金相试验结果吻合较好。随后采用自主编写的前处理程序,将上述建立的几何模型导入有限元软件ABAQUS中,为裂纹萌生模拟奠定基础。本文对ABAQUS进行二次开发,将Tanaka-Mura位错滑移理论与有限元法相结合。对建立的微观组织几何模型赋予晶粒取向和滑移带,并在此基础上建立了TC4-DT母材和电子束焊接头区的有限元模型;针对晶界处裂纹的连接与合并,对Tanaka方法进行了改进。基于改进的模拟方法,对TC4-DT母材区等轴晶组织疲劳裂纹萌生过程进行数值模拟,研究了不同载荷水平和晶粒尺寸对疲劳裂纹萌生寿命的影响规律;此外,文中还对电子束焊接头区疲劳裂纹萌生过程进行了数值模拟,研究了不同载荷水平对焊缝区裂纹萌生位置的影响;并考察了热影响区晶粒尺寸对裂纹萌生寿命的影响规律。通过多角度对比,建立了一种考虑电子束焊接头微观组织特征的疲劳裂纹萌生数值模拟方法,可较为准确的预测电子束焊接头裂纹萌生寿命和裂纹萌生位置。最后,本文设计并加工了带半圆形缺口的TC4-DT电子束焊接头试验件,对试验件疲劳损伤过程进行中断观察试验,观测了接头区的疲劳裂纹萌生过程。结合子模型技术对缺口试件接头区疲劳裂纹萌生过程进行数值模拟,将模拟结果与试验进行对比,初步验证了本文所建立数值模拟方法的合理性。

关键词：钛合金电子束焊接头泰森多边形法微观组织模拟 Tanaka-Mura模型疲劳裂纹萌生模拟

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Ti-62A合金热变形行为及微观组织演变模拟研究

Ti-62A合金热变形行为及微观组织演变模拟研究

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作者：丁凯伦西安建筑科技大学

学位级别：硕士

Ti-62A合金作为新型的损伤容限钛合金,具有良好的流体力学性能、耐腐蚀性、焊接稳定性和热成形性,因此被广泛用于飞机结构件及其他对合金损伤容限性能要求高的领域。钛合金的最终性能主要与其内部组织结构有关,且其在热变形过程中呈现... 详细信息

Ti-62A合金作为新型的损伤容限钛合金,具有良好的流体力学性能、耐腐蚀性、焊接稳定性和热成形性,因此被广泛用于飞机结构件及其他对合金损伤容限性能要求高的领域。钛合金的最终性能主要与其内部组织结构有关,且其在热变形过程中呈现的显微组织演变常伴随着动态再结晶、动态回复等。本文通过对Ti-62A合金的热变形行为进行研究,分析不同参数下的流变应力曲线和显微组织演变规律,结合热加工图、有限元数值模拟分析技术、金相显微技术和透射电子显微技术等科学手段,深入地分析Ti-62A合金内部组织结构,并得到较佳的热加工工艺参数。本文通过在Gleeble3800热模拟机上对Ti-62A合金进行进行等温热压缩实验。根据Ti-62A合金在不同相区的应力-应变数据,分别建立了合金在800～950℃（+双相区）和1000～1050℃（单相区）的流变应力本构方程,其热变形激活能Q分别为244.122k J/mol和282.797k J/mol。Ti-62A合金的流变应力随变形温度的降低和应变速率的升高而升高。Ti-62A合金出现动态软化率随变形温度升高而降低的异常现象与主要合金元素的Mo、Cr等β稳定元素的活性随温度升高逐渐降低、β相比例增大有关。在Ti-62A合金多道次降温热压缩变形过程中,道次变形温度的降低导致流变应力逐渐升高。变形温度和道次累积变形量,对最后组织中次生α相的分布形态和数量具有显著的影响。对Ti-62A合金的热加工而言,需关注热加工温度和道次累积变形量控制两个因素。根据应变对流变应力的影响,建立了基于应变补偿的Ti-62A合金+双相和相区的高温流变本构关系模型,并通过引入相关系数R和平均相对误差（AARE）对方程的有效性进行了验证。在动态材料模型基础上分别基于Prasad和Murty判据构建了Ti-62A合金的热加工图,分析得到基于Murty判据绘制的加工图来预测Ti-62A合金的安全变形区更准确。基于Murty判据建立的加工图中失稳变形区分三个区域,分别是变形温度为800～882℃和应变速率为0.16～10s-1、变形温度为882～1050℃和应变速率为2.24～10s-1、变形温度为1006～1045℃和应变速率为0.0072～0.063s-1。由于失稳区主要发生在应变速率较高的加工区域,因此在变形温度800～1050℃内进行加工时,要特别注意尽量避开应变率较高的区域。通过分析得到最佳加工区域热变形参数范围有两个,分别是变形温度为800～950℃和应变速率在0.001s-1附近、变形温度为1000～1050℃和应变速率为0.1s-1。根据热压缩试验流变应力数据,建立了Ti-62A合金在+双相区热变形过程的动态再结晶动力学模型和位错密度模型。在DEFORM-3D模拟软件中,利用元胞自动机法研究了Ti-62A合金在900℃时不同应变速率下的微观组织的演变规律。当变形温度为900℃、应变速率为0.01s-1时,试样心部易变形区优先开始发生再结晶,直到应变量增加至0.9时,易变形区则几乎发生完全动态再结晶,此时难变形区发生了71.6%的动态再结晶、自由变形区发生了86.5%的动态再结晶。在变形温度为900℃时不同应变速率下,再结晶晶粒尺寸随着应变速率增大而减小,模拟结果与实验结果较吻合,较准确的反应了变形规律。

关键词： Ti-62A合金热压缩变形热加工图元胞自动机动态再结晶微观组织模拟

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Cellular Automata法模拟材料微观组织结构

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甘肃科学学报 2006年第3期18卷 28-30页

作者：张红玉兰州理工大学甘肃省有色金属新材料重点实验室省部共建国家重点实验室培育基地甘肃兰州730050

用CA(Cellu lar A utom ata,CA)法模拟材料微观组织结构的形成过程.模拟过程中考虑了形核过程的随机性与晶粒生长的确定性.采用连续形核模型来描述液相中的自发形核.基于简化的晶粒形状,建立了模拟晶粒生长的二维数学物理模型,开发了模... 详细信息

用CA(Cellu lar A utom ata,CA)法模拟材料微观组织结构的形成过程.模拟过程中考虑了形核过程的随机性与晶粒生长的确定性.采用连续形核模型来描述液相中的自发形核.基于简化的晶粒形状,建立了模拟晶粒生长的二维数学物理模型,开发了模拟程序并进行了二维模拟计算.

关键词：随机性模拟微观组织模拟 CA方法晶粒形状形核与生长模型

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采用Cellular Automaton法模拟铝合金的微观组织

采用Cellular Automaton法模拟铝合金的微观组织

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第一届国际机械工程学术会议

作者：许庆彦柳百成清华大学机械工程系清华大学机械工程系

采用Cellular Automaton微观模型,并与宏观的传热计算相结合,对砂型铸造铝合金铸件的凝固组织形成进行了模拟。在模拟过程中,采用连续形核的方法处理液态金属的异质形核现象。通过高斯分布函数描述形核质点密度随温度的分布关系,在给定... 详细信息

采用Cellular Automaton微观模型,并与宏观的传热计算相结合,对砂型铸造铝合金铸件的凝固组织形成进行了模拟。在模拟过程中,采用连续形核的方法处理液态金属的异质形核现象。通过高斯分布函数描述形核质点密度随温度的分布关系,在给定过冷度时对分布函数求积分可得该时刻的形核密度。晶粒生长模型则考虑枝晶尖端生长动力学和择优生长方向<100>晶向。因此既考虑了形核过程的随机性,又结合了枝晶生长过程的确定性。模拟计算结果表明,在冷却速度不变的情况下,随着形核分布参数ΔT增加,所得到的晶粒尺寸增大。并从纯数学的角度对模拟结果进行了分析。

关键词：铝合金微观组织模拟 Cellular Automaton方法形核与长大

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铝合金凝固微观组织数值模拟

铝合金凝固微观组织数值模拟

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第八届全国塑性加工学术年会

作者：郭洪民杨湘杰京玉海南昌大学南昌大学南昌大学

近十年来,计算机技术的发展和精确模拟方法的出现显著促进了合金凝固微观组织模拟技术,但微观组织的空间尺度特性限制了各种模拟方法的适用范围。本文按照复杂性研究思想将元胞自动机理论和金属凝固理论相结合,改进了原有的元胞自动机... 详细信息

近十年来,计算机技术的发展和精确模拟方法的出现显著促进了合金凝固微观组织模拟技术,但微观组织的空间尺度特性限制了各种模拟方法的适用范围。本文按照复杂性研究思想将元胞自动机理论和金属凝固理论相结合,改进了原有的元胞自动机模型。与经典元胞自动机模型相比,该模型考虑了溶质再分配和溶质扩散机制、界面各向异性和界面曲率对微观组织演变的影响,可较细致地模拟晶粒的结构和形态转变。

关键词：微观组织模拟相场法元胞自动机模型

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铝合金凝固微观组织数值模拟

铝合金凝固微观组织数值模拟

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第二届全国塑性加工学术年会,全球华人先进塑性加工技术研讨会

作者：郭洪民杨湘杰京玉海南昌大学

近十年来,计算机技术的发展和精确模拟方法的出现显著促进了合金凝固微观组织模拟技术,但微观组织的空间尺度特性限制了各种模拟方法的适用范围.本文按照复杂性研究思想将元胞自动机理论和金属凝固理论相结合,改进了原有的元胞自动机模... 详细信息

近十年来,计算机技术的发展和精确模拟方法的出现显著促进了合金凝固微观组织模拟技术,但微观组织的空间尺度特性限制了各种模拟方法的适用范围.本文按照复杂性研究思想将元胞自动机理论和金属凝固理论相结合,改进了原有的元胞自动机模型.与经典元胞自动机模型相比,该模型考虑了溶质再分配和溶质扩散机制、界面各向异性和界面曲率对微观组织演变的影响,可较细致地模拟晶粒的结构和形态转变.

关键词：微观组织模拟相场法元胞自动机模型铝合金合金凝固

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