钢中马氏体相变行为的相场模拟研究(关于钢的马氏体相变的晶体学的研究)
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钢中马氏体相变行为的相场模拟研究
【摘要】：马氏体相作为钢中最重要的相之一,在很大程度上决定了钢的强韧性。
因此,对于马氏体相变及其逆相变过程的控制是提高钢强韧性的重要手段。
工业上一个普遍的做法是通过复杂的热处理过程等实现对钢中马氏体及残余奥氏体占比的调控,以达到改善钢的性能的目的。
但这种复杂工艺下的马氏体相变及其逆相变行为往往伴随着复杂的微观组织演化过程,而目前的实验或理论手段很难对这种微观组织演化进行准确观察和预测。
另一方面,相场模拟作为微观组织预测的有效手段已经在材料领域得到广泛的应用。
然而,对于马氏体相变的相场模拟目前主要集中于马氏体相变的模拟实现、马氏体相变过程中的变体取向关系、形核因素和特定现象等,对于复杂工艺下的马氏体相变及其逆相变行为鲜有研究。
采用相场模型对这种复杂组织演化过程的模拟有助于弥补实验和理论手段在微观尺度方面的不足,从热力学角度加深对相变行为和微观组织形貌形成的理解。
本文在相场微弹性模型基础上,分别结合描述微观塑性流动的时变Ginzburg-Landau方程、多序参量的Allen-Cahn方程和Cahn-Hilliard方程,实现对复杂的马氏体相变及其逆相变行为的预测。
采用有限元和有限差分方法对多组相场模型进行数值求解,在保证求解精度的同时提高求解效率。
本文分别研究了QP工艺配分阶段的复杂马氏体相变行为、临界退火过程中的马氏体逆相变现象以及相变加载过程中的马氏体相变塑性,且模拟结果与已有实验结果或理论是一致的。
具体的研究内容和结论包括:结合Fe-0.22C-1.58Mn-0.81Si(wt.%)钢马氏体相变动力学曲线,通过修正系数使相场微弹性模型实现对变温马氏体相转变量的预测并与实测值相近。
由于碳元素在未转变奥氏体内部的累积增强了未转变奥氏体的稳定性,发现合金钢二次淬火后残余奥氏体含量高于直接淬火结果。
同时发现二次淬火后奥氏体含量低于一次淬火后结果,这表明Fe-0.22C-1.58Mn-0.81Si(wt.%)钢配分80s后碳元素的再分布行为并不能完全稳定未转变奥氏体。
对比不同一次淬火冷却温度所对应的马氏体相变动力学模拟结果,存在一个最优化淬火冷却温度(约为290℃或300℃)可获得最多的残余奥氏体含量。
在原有相场微弹性模型基础上耦合Cahn-Hilliard方程,并假设配分过程中的马氏体相变始终处于稳定状态实现对模型中真实和非真实两种时间尺度的统一,构建出可描述配分阶段等温相变行为和相应碳元素扩散的相场模型。
研究发现界面迁移现象发生于配分阶段早期并呈现出马氏体逆相变行为,且不同配分温度下的界面迁移行为相似。
由于一次淬火所形成的系统内部弹性应变能的非均匀分布,这种界面迁移是各向异性的。
经过一定的孕育期以后,研究表明在化学和弹性驱动力的共同作用下等温马氏体将以切变型相变的方式生成。
等温马氏体相变受配分温度影响显著,并导致不同配分温度下相变动力学曲线的明显差异。
通过结合相场微弹性模型和多相场模型,实现对临界退火过程中切变型和扩散型逆相变微观组织演化的预测,模拟对象选用室温下为全马氏体组织的Fe-9.6Ni-7.1Mn(at.%)以排除残奥影响。
研究发现切变型逆相变过程中600℃等温条件下在马氏体板条间具有针状逆变奥氏体生成,且在随后的扩散型相变中继续生长。
扩散型相变过程中不同退火温度下均具有球状逆变奥氏体产生,这种球状奥氏体形核于大角原奥晶界并与邻近马氏体板条具有局部取向关系。
随着演化进行,球状奥氏体将优先沿着原奥晶界的一侧生长。
相场模型中引入合金影响系数描述不同合金元素对化学Gibbs自由能的贡献,同时考虑退火过程中Mn和Ni元素的扩散行为。
结果证实针状奥氏体内合金元素富集程度很高,表明其相变过程可用以界面控制为主导的混合控制模式描述;球状奥氏体内合金元素富集程度很低,其相变过程可用以扩散控制为主导的混合控制模式描述。
在扩散型相变后期,由于两类逆变奥氏体中合金元素富集的差异以及系统内部梯度能的影响,球状奥氏体将入侵针状奥氏体。
这种入侵行为可以促使临界退火过程中形成晶粒细化现象。
将一个时变Ginzburg-Landau形式方程耦合到相场微弹性模型,用于描述马氏体相变过程中的微观塑性流动行为,构建出弹塑性相场模型。
利用该模型分别研究了单轴、双轴、剪切和轴向-剪切混合加载下的马氏体相变塑性行为。
当载荷低于奥氏体屈服强度的一半时,单轴加载结果表明马氏体相变塑性系数与载荷大小和方向无关。
若双轴加载的载荷差值等于单轴加载下的载荷值时,两种加载条件具有近似的变体择优取向和相变塑性行为。
在相同的等效应力水平下,不同轴向-剪切混合加载组合可以得到相同的等效相变塑性应变水平。
加载条件下马氏体相变具有变体择优取向行为,且这种择优取向性与外加载荷的大小和方向相关:加载方向决定了择优取向变体种类,载荷数值影响变体择优取向的程度。
由于外加能量项对系统总自由能贡献的不同,轴向和剪切加载引起的变体择优取向规律是不同的,这也导致轴向-剪切混合加载过程中变体择优取向不具有规律性。
Magee和GreenwoodJohnson机制共同作用于马氏体相变塑性行为,Magee机制起主导作用。
关于钢的马氏体相变的晶体学的研究
本文重新分析了K-S切变与贝茵应变二种马氏体相变理论,发现二者具有同一的原始奥氏体晶胞。
高锰TRIP(transformation-inducedplasticity)钢在变形过程中能够发生马氏体相变,因而具有优异的强度、塑性和加工硬化行为。
在高应变速率条件下高锰TRIP钢的塑性不减,因而有着广泛的应用背景。
本文对高速变形条件(103s-1)下的马氏体相变取向依赖性、变体选择、动力学特征以及裂纹扩展规律进行了系统研究,同时利用马氏体相变模型对TRIP过程的晶体学特征进行理论计算。
此外,对高锰TRIP钢在冷轧过程(1s-160取向差的'-M变体对可优先出现。
应变速率对压缩变形的动力学过程具有显著影响,变形前期的马氏体相变尤其是-M→'-M相变速率显著提高,变形中、后期的TRIP效应被抑制。
样品形状显著影响高速压缩时绝热剪切带附近的裂纹扩展。
在相同的压缩条件下,柱形样的裂纹总是沿绝热剪切带内细小的等轴奥氏体晶粒扩展。
帽形样的裂纹可在基体中的'-M附近扩展,扩展方式可以是穿晶也可以是沿晶。
马氏体晶体的结构组织形态
马氏体晶体的鉴定则主要是测定钢和一些铁基本合金的基本结构组织的一种特征性质。
同时马氏体晶体的形态结构组织与马氏体晶体内部结构组织也会根据变化而变化，这样我们在对马氏体晶体的机构性能的产生变化是的影响的。
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