热变形过程低碳钢内部微孔缺陷愈合的介观尺度模拟

Micro-voids in metal significantly influence its mechanical properties. Clarifying the void healing mechanism during hot deformation process becoming a crucial prerequisite to produce compact material. Previous modeling and experimental studies mainly focused on the void shape evolution, only few experiments were performed to analyzed the microstructural change on the healed interface, but such static results cannot reveal the void healing essense controlled by atomic diffusion and recrystallization. In contrast, mesoscopic modeling can dynamically reproduce the microstructural evolution of metal during hot working process, which will be a novel and effective way to study the void healing process. In current study, the Crystal-Plastic Finite Element Method (CPFEM) and Cellular Automaton (CA) are being introduced to investigate the micro-void healing behavior, a model coupled grain deformation and microstructural evolution is to be built. Through calculating the stored strain enery in grains around the void, the dynamic recrystallization behavior will be simulated, and then the refining mechanism of the grains can be revealed. By calculating the mass diffusion flux through the interface and matrix metal, the migration behavior of free surface and grain bondary will be delineated, and then the diffusive healing mechanism of the viod can be clarified. Furthermore, real-time X-ray observation and In-stiu Transmission Electron Microscopy (TEM) will be adopted to verify the simulated results. The proposed project shows a promising perspective for clarifying the mechanism of void healing in metal, meanwhile providing theoretical fundation for manufacturing compact components.

金属材料内部的微孔缺陷严重影响其力学性能，阐明热变形条件下缺陷的愈合机理是实现材料致密化的重要前提。以往实验和模拟研究多侧重于追踪孔洞的形貌演化；少数实验表征分析了愈合界面的组织改变，但这种静态结果难以揭示扩散和再结晶对缺陷愈合的控制本质。相比之下，介观尺度模拟可动态再现材料加工过程的组织演化，是研究缺陷愈合机理的有效新途径。本研究将晶体塑性有限元和元胞自动机手段引入到微孔缺陷愈合的研究方法中，建立介观尺度含孔多晶材料形变－组织演变耦合模型。通过计算热变形过程孔洞周围晶粒的应变储能，模拟动态再结晶行为，阐明缺陷闭合界面的晶粒细化机制；通过计算变形后闭合界面与基体之间的溶质扩散通量，模拟自由表面和晶界的迁移行为，揭示闭合界面的扩散修复规律。并采用X射线实时观察、透射电镜原位观察等手段验证模拟结果。本研究将在介观尺度上阐明金属材料内部微孔缺陷的修复机制，为解决材料致密化的共性问题提供理论依据。

大型锻件是重大装备的基础零部件， 其制造能力是衡量一个国家工业发展水平的重要标志。锻件内部的微孔缺陷严重影响其力学性能，阐明热变形条件下缺陷的愈合机理是实现材料致密化的重要前提。本项目采用模拟和实验相结合的方法，建立了孔洞闭合过程的晶体塑形有限元、宏观有限元模型，以及热变形过程的再结晶模型，模拟了孔洞在大变形条件下的愈合过程，并结合X射线实时观察等手段，通过对可能影响锻造过程中大型钢锭内部孔洞闭合的各种因素进行系统研究发现，(1) 变形温度、应变速率、摩擦系数、试样尺寸、孔洞尺寸对锻造过程中孔洞的临界闭合压下率基本没有影响， 而试样高径比， 孔洞位置和孔洞形状对于孔洞的临界闭合压下率有较大影响。(2) 试样高径比和孔洞位置是通过影响孔洞周围的应变条件来影响孔洞的闭合，是间接的因素。孔洞所在位置的应变越大，孔洞越易闭合。在各个因素中，只有孔洞形状是影响孔洞闭合的直接因素，也是最本质、最重要的因素。研究结果表明，沿变形方向孔洞的高径比越大，孔洞越难闭合。在此基础上，提出了宽砧径向压实工艺, 该工艺可使应变集中于钢锭中心区域, 并满足孔洞闭合所需高径比的最佳条件, 可有效愈合钢锭的中心疏松. 与传统工艺相比，该工艺仅需要约20%的压下量即可使钢锭中心部分的缩孔疏松缺陷完全闭合。工业实验验证了该方法的有效性和实用性。本项目发表3篇学术论文，参加5次国际学术会议，其中4次为邀请报告；授权3项发明专利，其中1项为国际专利。在本研究基础上开发的工艺技术在重型企业实施，实现了百万千瓦核电转子和大型船用曲轴的国产化，研究成果作为主要内容获得国家科技进步二等奖和辽宁省科技进步二等奖各1项。