外应力下含第二相颗粒的AZ31镁合金晶粒长大和织构形成的相场法模拟.PDF

博士学位论文公示材料 学生姓名 何日 学号 1410168 二级学科 材料学 导师姓名 宗亚平 论文题目 外应力下含第二相颗粒的AZ31 镁合金晶粒长大和织构形成的相场法模拟 论文研究方向 镁合金显微组织演化的相场法模拟 论文关键词 镁合金；相场法；外应力；第二相颗粒；晶粒长大；织构 论文摘要(中文) 镁合金作为目前最轻的金属结构材料，具有众多优异性能，在汽车工业、航空航天、3C 数码等领 域均有重要应用。然而镁合金的强度较低且室温塑性差，导致其无法大规模应用。研究表明，通过调 控镁合金显微组织（晶粒尺寸、分布、织构等）可以进一步改善其综合力学性能。目前通常采用加入 第二相颗粒细化晶粒、控制有利织构形成等方法优化镁合金显微组织。然而，外应力是否也会对镁合 金晶粒长大和织构形成产生影响目前尚不清楚。因此镁合金显微组织演化的计算机模拟对于研究该问 题显得尤为重要。 首先，本文建立了一个外应力作用下含第二相颗粒的AZ31 镁合金显微组织演化的相场模型，用以 研究外应力和第二相颗粒对镁合金晶粒长大和织构形成的影响。本模型在系统总自由能函数中引入由 外应力做功产生的弹性应变能项，修订了局域自由能密度函数的表达式，考虑了第二相颗粒对系统总 自由能的贡献。同时，通过三个欧拉角构成的欧拉空间表达晶体学取向，并将其作为有序化参数的物 理意义，从而实现相场模型中对材料织构的准确表达。由于镁合金晶体结构为密排六方结构，不同晶 体学方向存在弹性各向异性，根据每个取向晶粒的(0001)面相对于外应力方向的角度旋转本征应变矩 阵，得到不同取向晶粒所对应的本征应变矩阵后，计算出外应力对不同取向晶粒所做的功，并将其引 入到自由能密度函数中，用于考察外应力对晶粒长大的影响。此外，本研究在课题组前期工作的基础 上，系统地确定了局域自由能密度函数中各个参数的取值，实现了模拟真实时空中AZ31 镁合金晶粒长 大和织构演化的过程。 然后，本文利用所建立的相场模型，模拟了不同含量、尺寸、形貌以及分布的第二相颗粒对AZ31 镁合金晶粒长大的影响，并且与实验数据进行了对比讨论。模拟研究表明：镁合金中第二相颗粒含量 越高，其对晶界的钉扎效果越好，退火后的晶粒尺寸越小；当颗粒含量超过一定值后，颗粒含量的继 续增加对晶粒细化效果的影响减小。当镁合金中第二相颗粒含量一定时，球形颗粒存在一个临界颗粒 尺寸。当颗粒小于临界尺寸时，颗粒细化晶粒的效果随颗粒尺寸的增加而增强；当颗粒大于临界尺寸 时，颗粒细化晶粒的效果随颗粒尺寸的增加而减弱，在AZ31 镁合金中，体积含量为3%和10%的第二 相颗粒对应的临界尺寸分别为300 nm 和500 nm。当第二相颗粒形貌不同时，若颗粒体积含量为2% ， 球形颗粒细化晶粒的效果最佳，椭球形颗粒其次，棒状颗粒最差，即细化晶粒的效果随颗粒长径比的 增加而减弱；若颗粒体积含量大于4% ，不同形貌的颗粒对晶粒细化效果的差别不明显。此外，模拟还 发现温度也会对第二相颗粒细化晶粒的效果产生影响，第二相颗粒细化晶粒的效果随着退火温度的升 高而增强。 接着，本研究分别用二维和三维相场模型模拟了外应力对AZ31 镁合金晶粒长大的影响。模拟研究 发现，尽管二维和三维模型模拟所得到的晶粒尺寸有所差异，但两种模型中外应力对晶粒长大的影响 方式和程度较为一致。模拟结果表明：镁合金晶粒长大速率随着外应力的增加而增加，且大于800 MPa 的外应力会导致晶粒的异常长大。在外应力作用下，某些特定晶粒长大过程中的拓扑结构演化会出现 反常现象，不符合Neumann–Mullins 晶粒生长定律。 同时，本工作还研究了外应力对AZ31 镁合金织构形成的影响。模拟研究发现，无外应力时，在镁 合金晶粒长大过程中晶粒取向始终保持随机分布，不产生特定织构；而加载400 MPa 压应力时，随着 退火时间的增加，镁合金中0001 取向晶粒迅速长大，而 10 10  和2 1 10 取向晶粒减小，最终 在 100 分钟时形成0001 基面织构。本文将织构模拟结果与实验结果进行对比，发现模拟得到的织 —1— 构类型和与热轧实验中观察的结果较为一致。本研究还通过进一步分析多晶体