双相钢连续退火过程组织演变的计算模拟

发布时间：2020-09-16 17:33

　　先进高强钢因其优异的综合性能在汽车工业得到了广泛的应用。双相钢作为第一代先进高强钢的代表之一,兼具高强度和良好的成形性,是汽车制造中应用最广泛的先进高强钢。双相钢的工业生产以连续退火工艺为主,其热处理过程伴随着一系列复杂的物理冶金现象,如铁素体再结晶、渗碳体球化、奥氏体化转变以及奥氏体-铁素体转变等。这些物理冶金现象相继或同时发生,彼此之间可能存在复杂的相互作用关系。上述转变过程的微小变化可能导致最终获得的双相钢微观组织发生显著改变,而材料的微观组织结构是决定其宏观力学性能的主要因素,因此,研究双相钢连续退火过程中微观组织的演变行为,对材料成分设计以及加工工艺制定与优化具有十分重要的意义。本文主要从介观尺度对冷轧双相钢连续退火过程中发生的相关物理冶金现象进行建模与模拟,并最终实现冷轧双相钢连续退火全流程的微观组织演变模拟与组织预报。本文首先建立了一种数字化材料表示(DMR)算法,以实现基于真实微观组织结构数据的材料微结构几何模型自动化建立,并在该算法的基础上通过晶体塑性有限元方法(CPFEM)对双相钢微结构模型在虚拟拉伸条件下的组织变形进行了模拟研究。DMR算法以图像分析处理以及元胞自动机(CA)晶粒生长算法为基础,能够对材料组织金相图片和EBSD数据中的微观组织特征进行自动识别与处理,从而实现材料微结构几何模型的自动化建立。由DMR算法建立的材料微结构模型能够真实反映微观组织组成相以及晶粒间的几何拓扑关系和晶粒取向信息,从而为后续变形和退火过程中的微观组织演变模拟提供了可靠的初始组织模型数据支持。双相钢微结构拉伸变形的CPFEM模拟结果表明,双相多晶组织变形在介观尺度是极不均匀的。由于组织组成相以及晶粒之间的性能差异,变形组织内将产生非均匀分布的应力和应变场,同时单个铁素体晶粒以及马氏体岛内部也存在明显的应力和应变梯度。模拟得出的应变带分布、应变集中位置以及整体应力-应变曲线与实验结果基本相符,从而验证了DMR-CPFEM模型的有效性以及模拟结果的准确性。为了研究双相钢组织变形不均匀性对退火过程中铁素体再结晶组织演变的影响,本文建立了CPFEM-CA耦合模型对再结晶过程的微观组织演变进行模拟。双相钢冷轧后变形组织的几何拓扑结构、晶粒取向以及变形储能分布由CPFEM模拟得出,并通过近邻映射算法映射至元胞自动机模型的求解域中作为再结晶组织演变模拟的初始条件。模拟结果表明,退火过程中铁素体再结晶的晶粒形核与生长行为和双相钢轧制后产生的组织变形不均匀性紧密相关。再结晶晶粒优先在铁素体基体内变形储能较高的区域形核生长,从而使得最终的再结晶组织在形貌和晶粒尺寸分布上均呈现明显的非均匀特性。模拟得到的铁素体再结晶转变动力学以及微观组织形貌特征与实验结果基本相符。退火过程中奥氏体在珠光体组织内形成的同时伴随着铁素体和渗碳体溶解。本文在渗碳体片层尺度分别针对单片层理想珠光体结构以及珠光体团簇结构在奥氏体化过程中发生的界面迁移行为进行了精细模拟。对于单片层理想珠光体结构,奥氏体向珠光体片层生长过程中,其界面迁移在Gibbs-Thomson效应的作用下将由开始阶段的瞬态模式逐渐向稳态模式过渡。由于奥氏体界面前沿的碳浓度差异,奥氏体在生长过程中将形成波浪形界面,并在稳态模式下以恒定的生长速度与界面形状向铁素体和渗碳体片层推进。对于珠光体团簇结构,退火过程中渗碳体片层各处的溶解速度在界面曲率的作用下存在差异。随着渗碳体溶解,其周围铁素体和奥氏体内将形成非均匀分布的碳浓度场,并在Gibbs-Thomson效应的作用下促使渗碳体发生球化。同时,在珠光体团簇结构以及渗碳体球化的影响下,奥氏体化过程中奥氏体界面迁移始终以瞬态模式进行,其界面形状和迁移速度随着界面位置和时间的改变而动态变化。最后,本文采用CPFEM-CA耦合模型对冷轧双相钢临界区退火过程的微观组织演变进行了模拟,包括铁素体再结晶、奥氏体化转变以及奥氏体-铁素体转变。其中,元胞自动机模型采用了一种双尺度元胞对珠光体团簇内的铁素体和渗碳体结构进行描述,以实现渗碳体溶解过程中碳元素的转移与扩散模拟。模拟结果动态揭示了冷轧双相钢临界区退火过程中铁素体再结晶和奥氏体化转变相互作用下的微观组织演变动力学与形貌特征。铁素体/珠光体组织的奥氏体化转变以先快后慢的两阶段形式进行,分别对应珠光体-奥氏体转变以及铁素体-奥氏体转变。奥氏体在铁素体-铁素体晶界形核和生长过程中与铁素体再结晶发生相互作用,并随着再结晶的进行最终演变为项链状分布的晶界奥氏体以及颗粒状分布的晶内奥氏体。加热速度和退火温度决定了铁素体再结晶和奥氏体化转变的相互作用程度,进而对最终的微观组织形貌产生显著影响。CPFEM-CA耦合模型较好地预测了冷轧双相钢在模拟的工业连续退火流程下的微观组织演变动力学与形貌特征,模拟结果与实验测定的转变动力学数据以及组织金相特征基本相符。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG142.1

【参考文献】