铝合金热变形过程中晶界迁移对流变应力的影响及统一本构建模

Grain boundary migration has significant effects on the flow stress behavior and microstructure evolustion during hot forming processes of metallic materials. But it normally gets less attention. The relationship between the rate of grain boundary migration and grain size and flow stress has not been elaborated well. In the present study, the dynamic recovery, dynamic recrystallization and grain boundary migration hevavior of pure aluminium and typic aluminium alloys will be investigated by online observation with Differential Interference Contrast microscopy. The main endeavor will be put on the effects of grain boundary migration on the flow stress behavior, dislocation density and microstructure evolution. An integral constitutive model will be developed, taking dislocation density as the the internal variables. The developed model will present both marco-deformation parameters (temperature, strain and strain rate,etc.) and the the microstructure evolution during deformation. The model parameters will be identified with inverse method. The instability, strong nonlinearity problems will be solved by constructing a reasonable objective function, combining with the multi-island genetic optimization algorithm. The model will be verified by comparing the simulation results of typical deformation processes with experimental measurements. The present research will explore a new way for the simulation of microstructure evolution caused by dynamic recrystallization, dynamic recovery and grain boundary migration, and will provide interesting new data on the hot deformation of aluminium alloys.

在金属材料热成形过程中，晶界迁移对变形组织和流变应力都会产生重要影响，但它们之间的关系一直没有得到很好的定量描述。本项目拟以纯铝和典型铝合金为对象，采用微分干涉显微镜在线观测热变形过程中组织演变，探明变形工艺参数、合金化程度以及二次相大小、形貌和体积分数对晶界迁移率的影响规律。建立晶界迁移率与晶粒大小、位错密度和流变应力等之间的定量关系。以位错密度等为内变量，建立既能够同时考虑温度，应变速率，塑性应变等宏观变形参数，又能反映变形过程中微观组织演变的统一本构模型。采用反分析技术求解本构方程参数，通过构建合理的目标函数，结合多岛遗传优化算法，解决多参数复杂反求过程中常见的不稳定性、强非线性、计算量大等难题。将所建立的模型应用于挤压、锻造和轧制等典型塑性成形过程的数值仿真，并加以实验验证。项目实施为铝合金热变形机制和组织演变规律研究探索新的途径，同时为成形过程的仿真建模和工艺优化提供理论基础。

在铝合金材料热成形过程中，晶界迁移对变形组织的演变和流变应力相应产生重要影响，但它们之间的关系一直没有得到很好的定量描述。本项目通过准静态拉伸/压缩、高速冲击、高温压缩/冲击等实验手段，采用微分干涉显微镜在线观测方法、微观组织的OM、SEM、EBSD、TEM、XRD等手段，研究了常用纯铝、6000系、7000系典型铝合金在热、高速冲击等工况变形过程中组织演变规律。探明了变形工艺参数、合金化程度以及二次相大小、形貌和体积分数对晶界迁移率、晶粒组织形态演变的影响规律。建立了晶界迁移率与晶粒大小、位错密度和流变应力等之间的定量关系。获得了不同变形条件下的微观组织演变规律。以位错密度等为内变量，建立了既能够同时考虑温度，应变速率，塑性应变等宏观变形参数，又能反映变形过程中微观组织演变的统一本构模型，获得了不同变形条件下的Johnson-Cook本构模型，计算了相应的本构参数并通过数值模拟方法进行了验证。采用反分析技术求解本构方程参数，通过构建合理的目标函数，结合多岛遗传优化算法，解决了多参数复杂反求过程中常见的不稳定性、强非线性、计算量大等难题。将所建立的模型应用于常规6000系铝合金挤压、锻造和轧制等典型塑性成形过程的数值仿真，并加以实验验证。主要研究了6063、6013、6061、7003等铝合金常温和高温的准静态和高速变形行为和晶粒组织演变规律、位错增殖及其在再结晶过程中的湮灭、再结晶组织演变等行为。项目实施为铝合金热变形机制和组织演变规律研究探索新的途径，同时为成形过程的仿真建模和工艺优化提供理论基础。.通过项目实施，准确地获得了常用6000系铝合金变形各阶段晶界迁移率的原始实验数据和晶粒形态演变的特性、及其与变形率/变形速率的关系，不同热处理状态下的常温及高温流变应力曲线，建立了Johnson-cook本构模型和相应的模型参数数据，建立了相应的为有限元仿真建立数据库基础。.项目执行过程中共发表相关论文34篇，其中SCI收录12篇、EI收录7篇、核心期刊论文15篇。共培养毕业博士生3名、硕士研究生6名。申请并获得软件著作权1项；申请专利发明专利3件（获得授权2件）、实用新型专利1件（授权1件）。项目研究成果获得省部级成果奖3项，其中重庆市科技进步一等奖1项（排名第4），中国创新设计产业战略联盟二等奖1项（排名第1），湖南省科技进步奖一等奖1项（排名第12）。