纯铜热变形过程中动态再结晶组织演变的预测方法

摘要

本发明公开了一种预测纯铜热变形过程中动态再结晶组织演变的方法。该方法通过建立多相场与位错密度耦合计算模型，输入有关参数，实现了实时预测动态再结晶组织演变过程、流变应力的变化、动态再结晶转变分数以及平均晶粒尺寸的变化情况，大大节约研发成本，缩短新产品的开发周期。所开发出的预测纯铜热变形过程中动态再结晶组织演变的方法，实现热变形过程中晶粒组织的实时观测，并得到应力应变曲线的变化规律，动态再结晶动力学转变规律以及晶粒尺寸随应变变化的转变形式，对于合理制定加工工艺和优化制品的组织和性能具有重要意义。

主权项

1.一种纯铜热变形过程中动态再结晶组织演变的预测方法，该方法以相场理论为基础，应用相场变量演化方程：为计算模型，式(1)中：为相场迁移率、W_ij为势阱高度、a_ij为梯度能系数，它们与界面厚度δ，界面能γ，晶界迁移率M_ij有关，它们的关系式，如式(2)所示：$a_{\mathrm{ij}}=\frac{2}{\pi }\sqrt{2\delta {\gamma }_{\mathrm{ij}}}$$W_{\mathrm{ij}}=\frac{4{\gamma }_{\mathrm{ij}}}{\delta }$通过计算机对上述模型模拟计算，对纯铜在动态再结晶过程中的晶粒形态、晶粒尺寸、平均晶粒半径、再结晶动力学以及流变应力进行预测，其特征在于包括以下过程：(1)通过程序编制，建立二维相场空间，输入初始参数：将计算模型的模拟区域划分为m×m₁个二维空间，每个格点ΔX＝ΔY＝0.5μm，每个模拟区域的试样尺寸为n×n₁mm，计算相场演变时用到的参数：界面能γ＝0.208J/m²、系数M₀＝0.139m⁴K/Js、系数μ＝42.1GPa、激活能Q_b＝110KJ/mol、温度T＝750～950K、应变速率计算形核率时用到的参数：激活能Qa＝275KJ/mol、系数c＝5.0×10²⁵、系数d＝1，将它们输入计算程序中；(2)采用周期性边界条件，通过对计算模拟模型式(1)的初步计算，得到母相基体初始晶粒，初始晶粒设置为规则的正六边形，用灰色表示；新形成的无规则的再结晶晶粒用白色表示；(3)给定初始位错密度：计算模型式(1)赋予每个晶粒2个变量：其中一个为位错密度变量，它的初始位错密度为ρ_ini＝1.0×10⁹/m²；另一个为晶粒相场变量，该晶粒相场变量用两个数组P、Q表示，其中P数组存放每个晶粒的相场值，Q数组存放每一个晶粒的编号；(4)计算位错密度随热压缩模拟区域变形增加的变化关系：根据Mecking和Kocks提出的位错密度模型式(3)，计算位错密度随热压缩模拟区域变形增加的变化关系：$\frac{{\mathrm{d\rho }}_i}{\mathrm{dϵ}}=k_1\sqrt{{\rho }_i}-k_2{\rho }_i---\left(3\right)$式(3)中等式右端第一项表示加工硬化项，k₁为硬化系数，k₁＝4×10⁸，第二项表示软化项，代表回复过程，k₂为软化系数，是温度和应变速率的函数，k₂＝32；(5)根据位错密度对每个再结晶晶粒判断形核条件：当位错密度达到临界值ρ_c＝5.5×10¹³/m²时，开始在晶界上随机形核，形核过程中应变增量Δε的变化满足条件：其中Δt＝0.002s；形核率满足条件：$\stackrel{·}{n}=\stackrel{·}{{ϵ}^d}\exp (-Q_a/\mathrm{RT});$(6)计算位错密度随动态再结晶的变化的流变应力：根据式(4)计算位错密度随动态再结晶的变化的流变应力，纯铜应力与平均位错密度满足：$\sigma =\mathrm{\alpha \mu b}\sqrt{\bar{\rho }}---\left(4\right)$其中：α为0.5，μ是剪切模量，b是柏格斯矢量，是平均位错密度；(7)输出动态再结晶晶粒组织的动态演化图像、再结晶过程中平均晶粒尺寸以及动态再结晶分数随应变的变化关系：经S时间段计算，输出动态再结晶晶粒组织的动态演化图像、再结晶过程中平均晶粒尺寸变化关系，再依据动态再结晶分数计算式(5)，计算输出动态再结晶分数随应变的变化关系：X＝N_new/N    (5)式中，N_new为新生成的再结晶晶粒所占的格点数目，N为原始母相基体所占的格点数目，根据输出结果与设计精度进行比较，调整S时间段，重新开始计算，直至达到设计精度要求为止。