Page 139 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术
P. 139
第四章 高温合金锻造过程数值模拟
和材料坐标系（MCS）分别描述了再结晶晶粒的等轴生长和变形。CA 模型除了
可以对 DRX 演化过程进行动态追踪，还具有良好的耦合能力。因此，近年来许
多研究者开始将 CA 模型和有限元法（FEM）、晶体塑性有限元法（CPFEM）、
有限体积法（FVM）、自适应响应面方法及现象学方法等其他模型结合起来，
充分发挥各自技术模型的优势，以提高最终模拟精度。
RAABE 等首次提出了通过耦合黏塑性晶体塑性有限元模型和 CA 模型来模
拟再结晶的方法：将有限元模拟预测的微织构和存储的能量数据转化为元胞自动
机模型，再将这些数据映射到二次元胞自动机网格上，根据在该区域发生的派生
晶胞大小、最大驱动力和最大晶界迁移率来缩放晶胞自动机，模拟了变形高纯多
晶铝在静态初次再结晶过程中织构和微观组织的形成，但存在 CPFEM 的计算结
果仅作为 CA 模型的输入数据而无法逆向获得 CA 模拟结果的反馈的问题。WU
等采用 CPFEM 进行二维热压缩，以获得变形过程中晶粒水平的变形参数，如应
变和晶体取向，并作为 CA 模型的输入，模拟了 IMI834 合金在等温热压缩过程
中 β 相（β-DRRX）的 DDRX，很好地描述了晶粒的非均匀变形及其对 DRX 过
程的影响，但是由于在模拟过程中采取了两套单元数不同的单独框架，导致数据
映射过程烦琐，并且模拟的初始结构也是通过 CA 建模得到的，而非实际测量值。
为了解决上述问题，POPOVA 等提出了可以实现闭环反馈的 CPFEM-CA 耦合模
型，该模型以 EBSD 采集的显微组织数据为 CPFEM 输入，再从 CPFEM 中提取
状态变量输入到 CA 模型中进行模拟。同时，CA 模拟结果可以反馈回 CPFEM 中，
实现同时预测 DRX 材料的力学响应及其微观结构演化。此外该模型还实现了一
种新的基于相邻单元之间位错密度不匹配的形核判据，认为形核发生在高错配度
的晶界处或局部高取向差的晶内。最终的模拟结果与实际 AZ31 镁合金的 DRX
过程的织构和流动应力曲线显示出良好的一致性。CHEN 等通过 ABAQUS 有限
元模型（FE）、扩展元胞自动机（CA）以及相变动力学模型结合，提出了一种
预测钢在热塑性成型过程中微观组织演变和力学性能的集成模型制定，并模拟了
动态再结晶（DRX）、亚动态再结晶（meta-DRX）和静态再结晶（SRX）等多
种再结晶过程。最终实验结果表明 FE-CA 模型很好地预测奥氏体晶粒形貌和尺
寸的演变、空间分布，以及各种转变相的体积分数和分布。
CDRX 的物理演化机制相对复杂，尤其是位错演化与亚晶形成之间的跨层级
关系尚不明确，因此相对于 DDRX 的研究来说，针对 CDRX 的介观尺度的 CA
123
