厚板轧制内部裂纹演变多尺度模拟基础

厚板轧制过程，产品厚度大、变形渗透难，心部易出现裂纹缺陷。采用带有内部裂纹的连铸坯对轧制过程裂纹演变与消除行为进行实验研究，检测轧制前后裂纹附近区域晶粒尺寸、取向与分布，检测轧后裂纹愈合情况。建立轧件内部裂纹演变的多尺度数值分析模型：采用热力耦合有限元分析带有预置裂纹的轧件变形行为，获取裂纹附近区域应力、应变、温度等；以此和实验结果，建立带有裂纹的晶体塑性有限元模型，分析晶粒变形行为及其对裂纹演变的影响，获取晶粒形变储存能分布；以此和实验结果，建立带有裂纹的CA模型，分析变形后裂纹附近区域再结晶行为及其对裂纹演变的影响。通过宏观有限元、晶体塑性有限元和CA法分析轧制过程裂纹演变行为，结合实验结果，揭示不均匀塑性变形条件下厚板内部裂纹演变和消除机制。课题对完善避免裂纹扩展和利于裂纹消除的轧制理论等具有重要意义，为建立塑性变形条件下带有缺陷的金属材料变形行为多尺度数值分析模型奠定基础。

金属塑性变形过程中裂纹愈合是一个非常重要的科学问题，通过本基金资助，课题取得了以下突破：.1）采用热力模拟试验机，采用预置裂纹的方式系统研究了应变、应变速率、变形温度等对裂纹愈合的影响，并讨论了裂纹愈合的主要机制。研究结果于2014年发表在冶金领域国际权威期刊《Metallurgical and Materials Transactions A》。.2）提出一种预置轧件内部裂纹的新方法，通过在轧件上钻孔、填充钢棒可预置出平行及斜置裂纹、孔洞和夹杂物。采用这种方法在轧件厚度方向不同位置预置出平行裂纹，通过实验研究了裂纹在轧制条件下的演变过程。相关研究结果于发表在综合性学术期刊《Plos One》、《东北大学学报》上。.3）将裂纹愈合的研究扩展到轧制过程轧件内部界面的冶金结果。在该问题上，首次采用界面等效应变作为判据分析了轧制过程中轧件内部界面冶金结合的相关影响因素。研究结果发表在《Scientific Reports(Nature Publish Group)》、《Metallurgical and Materials Transactions A》等国际权威学术期刊。.4) 为了更真实地对轧件内部裂纹的闭合过程进行数值模拟，采用预置表面粗糙度的方式对轧件内部裂纹的演变行为进行了研究。相关研究结果发表在《International Journal of Advanced Manufacturing Technology》。.5）采用元胞自动机方法对金属材料变形过程组织性能预备进行了研究，相关研究结果发表在《Computational Materials Science》、《金属学报》等期刊。.6）在金属材料裂纹愈合研究的基础上，将相关理论扩展到复合材料轧制、叠轧等研究。相关研究结果发表在《Scientific Reports》、《Materials and Manufacturing Processing》等期刊。..在这些研究结果的基础上，我们认为金属材料界面的迁移在金属复合材料制备等领域具有重要研究前景，属于国际前沿领域，值得基金委进一步支持相关研究。