預測板帶鋼熱變形中奧氏體動態再結晶組織演變的方法

2023-07-11 05:00:46

專利名稱：預測板帶鋼熱變形中奧氏體動態再結晶組織演變的方法
技術領域：
本發明屬於軋鋼技術領域，具體涉及板帶鋼熱軋過程的組織變化分析方法。
背景技術：
板帶鋼的熱軋過程中存在著複雜的組織變化，包括在軋制變形中的奧氏體動態再結晶、 動態回復及在軋制道次間隔中發生的靜態再結晶、靜態回復、亞動態再結晶和晶粒長大等過 程。奧氏體的再結晶行為，在控制軋制中起重要作用，是影響流變應力的重要因素，同時也 對隨後的冷卻過程奧氏體相變行為產生重要影響。目前分析板帶鋼熱軋過程中組織變化規律 主要依靠實驗手段，耗費物力、財力，且效率低。計算機數值模擬技術在軋制過程中的廣泛 應用，為改進鋼材質量提供了一種新的方法，使對軋鋼生產的研究達到一個全新水平。在計 算機上再現材料成形過程，進行輔助實驗，能夠節約實驗成本，加快新產品開發的周期，並 且為模型的建立和實驗提供了巨大的靈活性和方便性，在新材料的工藝設計中發揮著不可替 代的作用。採用物理冶金學原理和元胞自動機理論相結合的方式對熱變形奧氏體的動態再結 晶過程進行預測，能夠實現再結晶過程的晶粒形態、體積分數及晶粒尺寸的定量化、精確化 和可視化的描述，並可得到流變應力等重要參數，對進一步分析微觀組織的演變規律有重要 意義。因此開發出用來預測板帶鋼熱變形中奧氏體動態再結晶組織演變的方法具有重要的意 義。

發明內容
針對目前板帶鋼熱軋過程的組織變化分析方法存在的不足之處，本發明提供」種預測板 帶鋼熱變形中奧氏體動態再結晶組織演變的方法。 '
本發明方法通過建立動態再結晶物理冶金模型和動態再結晶元胞自動機模型，實現動態 再結晶的轉變分數、晶粒尺寸、晶粒形態及流變應力預測，包括以下步驟。
1、 建立二維元胞空間；
元胞單元採用四方形網格，模型將模擬區域劃分為500X500的二維元胞空間，每個 元胞邊長a為1//m，整個模擬的區域代表0.5mmX0.5mm的實際試樣尺寸。
2、 生成母相初始組織晶粒；
初始晶粒採用等軸晶的生長方式生成，用灰色標識。新生成的晶粒用彩色標識。採用 Alternant Moore型鄰居，邊界條件採用周期性邊界條件。3、 給定元胞初始狀態和初始位錯密度；
模型賦予每個元胞4個狀態變量(a)位錯密度變量，元胞初始位錯密度/)。取為1.0X
1012/m2，應變使位錯密度增加，而回復和再結晶使位錯密度降低；(b)晶粒取向變量，對新 生成的再結晶元胞隨機取1 180之間的數作為取向值，指出其所屬的晶粒，取向值相同的屬 於同一個晶粒，不同的晶粒對應著不同的顏色；(c)再結晶標誌變量，O表示未再結晶狀態，1 表示再結晶狀態；(d)晶界變量，用於標誌晶界元胞位置。
4、 輸入應變量e、應變增量Af及應變速率、變形溫度；
5、 計算位錯密度隨變形的增加的變化；
在熱變形過程中，位錯密度是隨著應變的增加而增加的。動態再結晶的形核與位錯密度 的積累有關，模型假設只有在位錯密度達到臨界值時再結晶晶粒在晶界處才開始形核並消耗 了變形組織中的位錯密度，隨後新晶粒以一定的速度繼續長大，新晶粒的位錯密度也隨應變 量的增加而不斷增長，當晶粒長大驅動力減小到零或者再結晶晶粒與其它新生晶粒相碰時， 晶粒停止生長。
位錯密度模型在金屬熱變形過程中，加工硬化和動態回復過程同時進行。隨著應變的 增大，加工硬化使得位錯密度不斷升高，而動態回復則使位錯密度有所降低。Burgstrom建立 了位錯密度與加工硬化和動態回復變化關係模型-
d;o/ds = [/ —i3./ (1)
式中，C/和i3分別為描述加工硬化和動態回復的特徵參數，s為真應變，p為位錯密度。
6、 對每個元胞根據位錯密度判斷形核條件； '
臨界應變模型發生動態再結晶需要一定的條件，.只有當應變達到臨界應變^時，位錯
密度增加到臨界值^時，變形過程中才會發生動態再結晶。臨界應變^可表示為
sc=0.83ep (2) ep=《Zm (3) Z = ￡&eXp [2 D /(及T )] (4) 其中，Sp為峰值ik變，Z為Zener-Hollomen參數，及為氣體常數，r為絕對溫度，d。為 奧氏體晶粒直徑，X、 g和m是與鋼種成分有關的參數，0D為動態再結晶激活能。' 形核率模型形核率AT&的大小既與應變速率有關，又與溫度有關，可表示為A*=C￡&/(")exp[-2D/(^T)] (5) 其中，C為常數，e&為應變速率，6為柏氏矢量，/為位錯運動的距離即亞晶尺寸，2D為
動態再結晶激活能，及為氣體常數，r為絕對溫度。
採用一定速率型形核規則，即以一定的形核數隨W拋灑形核後，在每一時間步長都繼續 以這樣的規則向未形核區拋灑新的晶核，直至再結晶完了，其中在每一時間步長向未再結晶 區所拋灑的晶核數是可以變化的。形核只發生在位錯密度達到臨界值且處在晶界處的元胞上。
7、 對每個元胞根據晶粒長大規則判斷晶粒長大；
晶粒長大速度模型晶粒長大速率v與遷移率w及作用在單位面積晶界上的驅動力P之 間存在如下關係-
v = w 屍 (6)
其中W為晶界遷移率，P為晶界移動的驅動力可表示為
P = 0.5/3, (7) 其中，6為柏氏矢量，//為剪切模量，yfc為Boltzmaiin常數，及為氣體常數，T為絕對溫 度，p為位錯密度。
一旦元胞開始形核，就會以速率v向其近鄰長大，使其近鄰的元胞從未結晶狀態轉化為 已結晶的狀態。採用確定性長大演化規則，晶粒長大速率v由式(6)計算可得，dt時間步長中 形核的元胞向近鄰未結晶元胞的生長距離/為
"j[vdt (8)
"為元胞尺寸即元胞邊長，如果/^a則認為該近鄰未再結晶元胞轉變為再結晶元胞。
8、 計算位錯密度隨動態再結晶的變化和流變應力；
流變應力模型流變應力與位錯密度的關係可以描述為 '
(7 = a〃67^ (9)
其中a為位錯密度交互作用係數，通常取為0.5, 6為柏氏矢量，-為平均位錯密度，//為
剪切模量。
9、 輸出動態再結晶的晶粒形貌等組織的動態演化圖形；輸出再結晶過程的晶粒尺寸、體積分 數、流變應力。
採用本發明方法，可以實現板帶鋼熱變形中動態再結晶組織演變過程的預測、動態再結 晶動力學曲線的預測、'動態再結晶流變應力的預測、動態再結晶晶粒尺寸的預測。實現了計算機對金屬成形過程組織演變的再現，不僅能夠節約實驗成本，同時也加快新鋼種開發的周 期。所開發出的用來預測板帶鋼熱變形中奧氏體動態再結晶組織演變的方法，實現了再結晶 過程的晶粒形態、體積分數及晶粒尺寸的定量化、精確化和可視化的描述，並可得到流變應 力等重要參數，對進一步分析微觀組織的演變規律有重要意義。


圖1為本發明預測板帶鋼熱變形中奧氏體動態再結晶組織演變的方法的計算分析流程框
圖2為本發明的動態再結晶組織演變過程預測結果輸出圖；其中(a) (d)所示為變形溫
度為105(TC、應變速率為0. 1/s變形時，在應變分別為0.2、 0.4、 0. 6和0. 8時的動態再結
晶的組織形貌演變過程的預測結果輸出圖3為本發明的動態再結晶動力學曲線圖，其中(a)、 (b)分別為此鋼在應變速率為0. 1/s
變形時的動態再結晶的動力學S曲線和Avrami曲線圖
圖4為應力-應變預測值與實測值的比較圖，其中(a)所示為此鋼在應變速率0.1/s，不 同變形溫度的流變應力曲線的預測結果輸出圖，而(b)為採用相同的單道次壓縮變形工藝(如 表2所示)條件下流變應力的熱模擬實驗結果圖5為動態再結晶平均晶粒尺寸輸出圖。
具體實施例方式
如圖l所示，本發明的預測板帶鋼熱變形中奧氏體動態再結晶組織演變的方法具體計算 分析步驟如下
1、 開始；
2、 建立二維元胞空間
3、 生成母相初始組織晶粒；
4、 給定元胞初始狀態和初始位錯密度；
5、 輸入應變量s、應變增量Af及應變速率、變形溫度，計算總步S二e/As，初設1=1;
6、 在第I計算步內計算位錯密度隨變形的增加的變化；
7、 對每個元胞根據位錯密度判斷形核條件；
8、 對每個元胞根據晶粒長大規則判斷晶粒長大；
9、 計算位錯密度隨動態再結晶的變化和流變應力；
10、 輸出動態再結晶的晶粒形貌等組織的動態演化圖形；
11、 輸出再結晶過程的晶粒尺寸、體積分數、流變應力；
712、判斷是否I〈S，是則1=1+1，程序返回第6步；否則結束程序。
本發明預測板帶鋼熱變形中奧氏體動態再結晶組織演變方法的計算分析可以通過計算機 程序完成實施，程序採用上述的1~12步驟。
採用本發明方法上述的1 12步驟，採用Matlab程序語言來實現動態再結晶的預測過程， 能夠得到不同時刻動急再結晶的晶粒形貌等組織的動態演化特徵。其中動態再結晶的轉變分 數可以表示如下. .
4=^/y. (10)
式中，；為已經發生動態再結晶的元胞數目，y為空間元胞總數。
對每個新生成的再結晶元胞進行標誌(晶粒取向值)，指出其所屬的晶粒，取向值相同 的屬於同一個晶粒。在程序中平均晶粒尺寸是根據同一個晶粒所包含的多個元胞的面積來統 計和計算的。
每個時刻每個元胞的位錯密度能夠通過預測得到，再根據式(9)可得到流變應力隨應變的 變化情況。 .
預測對象鋼種的化學成分如表1所示，表2所示為分析過程中採用的單道次壓縮變形工 藝參數。
表l實驗用鋼的化學成分(質量，％)
成分cSiMn SPAlNbVFe
含量。.170. 331,43 0.0050.0150. 02390. 0310. 081餘量
表2單道次壓縮變形工藝參數 應變速率，s—1真應變應變增量 變形溫度，'C
850、 900、 950、 1000、 1050 1 0.8 0.04 850、 900、 950、 1000、 1050
5 850、.900、 950、 1000、 1050
預測結果如下。
1、動態再結晶組織演變過程的預測結果。
如圖2所示，圖l (a) (d)所示為變形溫度為105(TC、應變速率為0.1/s變形時，在應變分別
為0.2、 0.4、 0.6和0.8時的動態再結晶的組織形貌演變過程的預測結果。2、 動態再結晶動力學曲線的預測結果。
如圖3所示，圖3(a)、 (b)分別為此鋼在應變速率為'0.1/s變形時的動態再結晶的動力學S
曲線和Avrami曲線的預測結果。
3、 動態再結晶流變應力的預測結果。
如圖4所示，圖4(a)所示為此鋼在應變速率0.1/s，不同變形溫度的流變應力曲線的預測 結果，而圖4(b)為採用相同的單道次壓縮變形工藝(如表2所示)條件下流變應力的熱模擬 實驗結果。預測流變應力計算結果與實驗實測數據相比誤差較小，基本體現了流變應力應變 曲線的基本特徵。
4、 動態再結晶晶粒尺寸的預測結果。
如圖5所示，為此鋼在應變為0.8,不同應變速率和不同變形溫度下的平均晶粒尺寸的預
測結果。
權利要求
1、一種預測板帶鋼熱變形中奧氏體動態再結晶組織演變的方法，其特徵在於包括以下步驟①建立二維元胞空間；②生成母相初始組織晶粒；③給定元胞初始狀態和初始位錯密度；④輸入應變量ε、應變增量Δε及應變速率、變形溫度；⑤計算位錯密度隨變形的增加的變化；⑥對每個元胞根據位錯密度判斷形核條件；⑦對每個元胞根據晶粒長大規則判斷晶粒長大；⑧計算位錯密度隨動態再結晶的變化和流變應力；⑨輸出動態再結晶的晶粒形貌等組織的動態演化圖形；輸出再結晶過程的晶粒尺寸、體積分數、流變應力。
2、 按照權利要求1所述的方法，其特徵在於步驟①中，元胞單元採用四方形網格，模 型將模擬區域劃分為500X500的二維元胞空間，每個元胞邊長"為1//m，整個模擬的區域代表0.5mmX0.5mm的實際試樣尺寸。
3、 按照權利要求l所述的方法，其特徵在於步驟②中，初始晶粒採用等軸晶的生長方式 生成，用灰色標識，新生成的晶粒用彩色標識，採用AltemantMoore型鄰居，邊界條件採用 周期性邊界條件。
4、 按照權利要求l所述的方法，其特徵在於步驟③中，模型賦予每個元胞4個狀態變量(a) 位錯密度變量，元胞初始位錯密度p。取為1.0X10力m2，應變使位錯密度增加，而回復和再結晶使位錯密虔降低；(b) 晶粒取向變i，對新生成的再結晶元胞隨機取1 180之間的數作為取向值，指出其所 屬的晶粒，取向值相同的屬於同一個晶粒，不同的晶粒.對應著不同的顏色；(c) 再結晶標誌變量，O表示未再結晶狀態，l表示再結晶狀態；(d) 晶界變量，用於標誌晶界元胞位置。
5、 按照權利要求1所述的方法，其特徵在於步驟⑤中，模型假設只有在位錯密度達到臨 界值時再結晶晶粒在晶界處才開始形核並消耗了變形組織中的位錯密度，隨後新晶粒以一定 的速度繼續長大，新晶粒的位錯密度也隨應變量的增加而不斷增長，當晶粒長大驅動力減小 到零或者再結晶晶粒與其它新生晶粒相碰時，晶粒停止生長。
6、 按照權利要求1所述的方法，其特徵在於步驟⑥中，採用一定速率型形核規則，即以一定的形核數隨機拋灑形核後，在每一時間步長都繼續以這樣的規則向未形核區拋灑新的晶 核，直至再結晶完了。
7、 按照權利要求i所述的方法，其特徵在於步驟⑦中，採用確定性長大演化規則，即dt 時間步長中形核的元胞向近鄰未結晶元胞的生長距離/為如果/2a則認為該近鄰未再結晶元胞轉變為再結晶元胞，a為元胞尺寸即元胞邊長，其 中v-w.屍，v為晶粒長大速率，/w為遷移率，戶為作用在單位面積晶界上的驅動力。
全文摘要
一種預測板帶鋼熱變形中奧氏體動態再結晶組織演變的方法，屬於軋鋼技術領域，該方法通過建立動態再結晶物理冶金模型、建立動態再結晶元胞自動機模型，實現動態再結晶的轉變分數、晶粒尺寸、晶粒形態及流變應力預測。本發明實現了計算機對金屬成形過程組織演變的再現，不僅能夠節約實驗成本，同時也加快新鋼種開發的周期。所開發出的用來預測板帶鋼熱變形中奧氏體動態再結晶組織演變的方法，實現了再結晶過程的晶粒形態、體積分數及晶粒尺寸的定量化、精確化和可視化的描述，並可得到流變應力等重要參數，對進一步分析微觀組織的演變規律有重要意義。
文檔編號C21D8/02GK101591729SQ20091001212
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月19日 優先權日2009年6月19日
發明者劉相華, 喻海良, 穎 支 申請人:東北大學