元胞自動(dòng)機(jī)法在累積疊軋鎂合金界面連接機(jī)制的應(yīng)用

肖心萍 王紅梅 李曉丹

摘 要：本文中采用的累積疊軋焊工藝對(duì)鎂合金進(jìn)行細(xì)化晶粒，并改善其力學(xué)性能。采用元胞自動(dòng)機(jī)法對(duì)鎂合金界面連接機(jī)制進(jìn)行研究，構(gòu)建界面擴(kuò)散模型，分析擴(kuò)散機(jī)理。采用元胞自動(dòng)機(jī)方法對(duì)鎂合金界面連接機(jī)制進(jìn)行研究，將會(huì)對(duì)構(gòu)建界面擴(kuò)散連接模型的建立，微觀組織的研究起到非常重要的作用。將在未來(lái)對(duì)鎂合金在性能優(yōu)化，實(shí)際應(yīng)用做出突出的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：累積疊軋焊;元胞自動(dòng)機(jī);擴(kuò)散;連接機(jī)制

Abstract：In this paper，the accumulative roll bonding process is used to refine the grain size of magnesium alloy and improve its mechanical properties.The interface bonding mechanism of magnesium alloy was studied by cellular automata method，and the interface diffusion model was established to analyze the diffusion mechanism.The research on the interface bonding mechanism of magnesium alloy by cellular automata will play an important role in the establishment of interface diffusion bonding model and the study of microstructure.It will make outstanding contribution to the performance optimization and practical application of magnesium alloy in the future.

Key words：Accumulative roll welding;Cellular automata;Spread;Connection mechanism

1 緒論

鎂合金被稱為21世紀(jì)的“綠色”工程材料。但由于普通鎂合金板材室溫塑性極差，難以直接塑性加工成各種構(gòu)件或零部件。因此如何提高鎂合金的塑性成形能力，是大規(guī)模運(yùn)用鎂合金所必須加以解決的重要應(yīng)用基礎(chǔ)和工程技術(shù)問(wèn)題。本課題所采用的累積疊軋焊工藝與其他先進(jìn)制備和加工技術(shù)相比，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝簡(jiǎn)捷的優(yōu)點(diǎn)，有廣闊的運(yùn)用前景[1]?？梢詽M足更多的結(jié)構(gòu)件需求。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)件產(chǎn)品的機(jī)械性能取決于它的組織形態(tài)，如晶粒尺寸以及晶粒分布和晶粒的形態(tài)等特點(diǎn)，因此模擬和預(yù)測(cè)微觀組織的特征已經(jīng)成為鎂合金熱變形過(guò)程的數(shù)值模擬的技術(shù)重點(diǎn)。材料熱變形過(guò)程使微觀組織發(fā)生了明顯的變化，同時(shí)微觀組織的特點(diǎn)又能影響到材料宏觀力學(xué)性能。如果能夠用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)鎂合金的界面結(jié)合時(shí)組織演變行為進(jìn)行模擬，則可以預(yù)測(cè)變形過(guò)程中材料的組織變化。進(jìn)而我們可以進(jìn)行優(yōu)化和控制，從而獲得理想的組織，為鎂合金應(yīng)用創(chuàng)造更廣泛空間[2]。

目前關(guān)于鎂合金累積疊軋過(guò)程的研究很多，但關(guān)于鎂合金經(jīng)累積疊軋焊后的界面結(jié)合間晶體結(jié)構(gòu)還鮮有研究。而微觀組織的數(shù)值模擬對(duì)于實(shí)現(xiàn)工藝、組織、性能一體化具有重要的意義。

2 鎂合金累積疊軋焊

累積疊軋焊（Accumulative Roll Bonding，ARB）是制備納米晶和超細(xì)晶材料的一種非常重要的方法。ARB是Y.Saito提出的一種新的實(shí)現(xiàn)超大塑性變形的方法.與ECAE和HPT相比，它具有三個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：一是不需要高載荷的成形設(shè)備和昂貴的模具;二是材料生產(chǎn)效率高;三是適宜生產(chǎn)大尺寸的板帶等結(jié)構(gòu)材料[3]。

累積疊軋焊是一種將材料的堆疊與軋焊反復(fù)交替進(jìn)行的加工工藝。它通過(guò)將試樣板材反復(fù)疊軋以達(dá)到超大變形量從而得到超細(xì)晶組織的一種試驗(yàn)方法。ARB工藝過(guò)程見(jiàn)圖1。

軋制溫度和變形量的控制對(duì)累積疊軋工藝是非常重要的。軋制溫度一般低于再結(jié)晶溫度，防止動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程影響晶粒細(xì)化的程度。變形量是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，一般地，隨著軋制溫度的降低，臨界變形量是提高的。

3 鎂合金元胞自動(dòng)機(jī)

3.1 元胞自動(dòng)機(jī)在金屬微觀結(jié)構(gòu)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)創(chuàng)始人Neumann提出元胞自動(dòng)機(jī)理論，它的基本思想是一個(gè)細(xì)胞或基元會(huì)收到相鄰基元的變化，其中的基元就叫做元胞[1]。

在90年代，一些國(guó)外的科學(xué)家開(kāi)始應(yīng)用元胞自動(dòng)機(jī)法計(jì)算微觀組織，并取得了一定的成果。國(guó)內(nèi)雖然對(duì)微觀組織模擬研究比較晚，但也取得了一些成果。來(lái)自于清華大學(xué)的柳百成教授通過(guò)建立元胞模型，結(jié)合宏觀溫度的影響，分析形核參數(shù)并計(jì)算異質(zhì)形核過(guò)程，模擬出鎂合金晶粒生長(zhǎng)過(guò)程并成功的建立了鎂合金模型。后來(lái)石玉峰團(tuán)隊(duì)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，用來(lái)計(jì)算合金枝晶的生長(zhǎng)過(guò)程及合金凝固時(shí)等軸晶和柱狀晶的影響[3]。

3.2 元胞自動(dòng)機(jī)的構(gòu)造

元胞自動(dòng)機(jī)分為元胞空間，鄰居關(guān)系定義，邊界條件，初始條件，轉(zhuǎn)變規(guī)則五個(gè)部分。在二維的元胞自動(dòng)機(jī)中，一個(gè)元胞可選取正方形元胞，三角形元胞或著六角形元胞。下面就以正方形元胞舉例說(shuō)明在這種體系下對(duì)鄰居關(guān)系結(jié)構(gòu)的兩種定義。在圖2a中只考慮了一個(gè)元胞上下左右方向的四個(gè)鄰居，這種的鄰居關(guān)系就被稱作Von Neumann型的鄰居關(guān)系;在圖2b中除考慮一個(gè)元胞的上下左右的四個(gè)鄰居外，還考慮了四個(gè)對(duì)角的鄰居元胞狀態(tài)。這種的鄰居關(guān)系就被稱為Moore型的鄰居關(guān)系。通常對(duì)于邊界條件定義有3種方法：周期性條件、邊界性條件、反射邊界性條件、固定邊界性條件[4]。

（1）周期性邊界條件：指相對(duì)邊界進(jìn)行連接起來(lái)的元胞空間在一維空間表現(xiàn)為首尾相接的圓，對(duì)二維空間來(lái)講，上下、左右分別相接，形成了拓?fù)鋱A環(huán)面。

（2）反射邊界條件：指的是在邊界外的鄰居元胞狀態(tài)都是以邊界作為軸的鏡面進(jìn)行反射。

（3）固定邊界條件：指所有的邊界外的元胞都取某一個(gè)固定值，如0.1、0.3等。其中，應(yīng)用周期性的邊界條件能夠使所建網(wǎng)格周期性地進(jìn)行延伸，從而廣泛的應(yīng)用在模擬中。實(shí)際應(yīng)用中。也可以同時(shí)應(yīng)用三種邊界條件。在大多數(shù)的情況下.初始條件能夠很大的程度上決定了后續(xù)的演化。初始條件是能夠確定的，也可能是隨機(jī)性產(chǎn)生。不同鄰居定義的采用也會(huì)導(dǎo)致不同轉(zhuǎn)變規(guī)則。實(shí)際的模擬應(yīng)用中可以根據(jù)具體的需要來(lái)定義適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)變規(guī)則[5]。

3.3 元胞自動(dòng)機(jī)在鎂合金界面應(yīng)用可能性研究

累積疊軋過(guò)程中鎂合金界面連接屬于擴(kuò)散連接。在真空或保護(hù)氣氛中將試驗(yàn)金屬的表面進(jìn)行加熱和加壓，被連接表面在高溫和壓力作用下局部發(fā)生塑性變形，結(jié)合層的原子之間在一段時(shí)間之后開(kāi)始相互擴(kuò)散，最后形成整體的連接的方法或過(guò)程。

擴(kuò)散連接工藝是今年最先進(jìn)的界面連接技術(shù)之一。應(yīng)用此技術(shù)已成功地進(jìn)行了鈦合金和部分鎂鋁合金復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)件的成形加工，航空航天結(jié)構(gòu)器件的制造中有廣泛的應(yīng)用。人們正在積極研究一些高強(qiáng)度鋁合金、高強(qiáng)度鎂合金等先進(jìn)材料的成形技術(shù)[4]。目前人們根據(jù)原子擴(kuò)散理論對(duì)MB15超塑性鎂合金進(jìn)行了擴(kuò)散連接工藝研究，發(fā)現(xiàn)該鎂合金主要是通過(guò)原子擴(kuò)散和晶粒長(zhǎng)大造成的原始焊接面晶界的移動(dòng)，促使接頭表面原子充分?jǐn)U散，形成了牢固的連接。另外，還發(fā)現(xiàn)有多種因素影響擴(kuò)散連接的質(zhì)量，例如表面處理，擴(kuò)散溫度，連接壓力，保溫時(shí)間等。界面的結(jié)合質(zhì)量受到壓力大小的嚴(yán)重影響。其實(shí)除了壓力還有很多的因素影響鎂合金界面的連接，例如表面處理的粗糙度，連接溫度，保溫時(shí)間等都對(duì)擴(kuò)散連接有影響。下面我們對(duì)影響界面連接的一些因素進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析說(shuō)明[6]。

（1）首先是連接樣品表面的處理狀況，樣品的表面處理嚴(yán)重影響界面的結(jié)合情況，而且鎂合金極易被氧化，所以在界面處或多或少都有氧化物的存在。樣品沒(méi)有經(jīng)過(guò)表面清潔，表面有氧化物及油污，雜質(zhì)的存在，而這些雜質(zhì)油污會(huì)很嚴(yán)重的影響晶界間再結(jié)晶過(guò)程及結(jié)晶過(guò)程中的晶界擴(kuò)散;這樣在沒(méi)有經(jīng)過(guò)表面處理的樣品中界面會(huì)很明顯，界面結(jié)合質(zhì)量不高，在產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用中會(huì)很容易在界面出發(fā)生斷裂，從而造成工程機(jī)械應(yīng)用中的損失和危險(xiǎn)。而在經(jīng)表面處理的樣品中，可以，界面上動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不會(huì)受到雜質(zhì)油污的影響，能夠順利發(fā)生再結(jié)晶及擴(kuò)散過(guò)程，從而在兩側(cè)晶粒處形成了良好的連接。

（2）擴(kuò)散溫度對(duì)界面連接影響：從擴(kuò)散的規(guī)律可知，擴(kuò)散系數(shù)D和溫度存在著指數(shù)關(guān)系，即D=D0exp（-Q/RT），式中：D0為擴(kuò)散常數(shù);R為氣體常數(shù);Q為擴(kuò)散激活能;T為溫度。由此式可知，當(dāng)溫度越高的時(shí)候，擴(kuò)散系數(shù)就會(huì)越大，用于金屬原子的擴(kuò)散能量越高，從而使界面間的原子互擴(kuò)散程度就越來(lái)越大。同時(shí)，隨著溫度越高，金屬塑性變形的能力也會(huì)越好，焊接表面所能夠達(dá)到緊密接觸狀態(tài)需要的壓力也會(huì)越小，而溫度的這兩種效應(yīng)都有利于界面的擴(kuò)散連接進(jìn)行[7-8]。

采用元胞自動(dòng)機(jī)法研究鎂合金累積疊軋過(guò)程中界面連接處微觀組織的形成原理，在模擬界面組織變化是將元胞分為固態(tài)元胞、液態(tài)元胞和生長(zhǎng)元胞三種類型，由于在演變過(guò)程中元胞的溫度和狀態(tài)是不同的，通過(guò)這點(diǎn)計(jì)算形核、生長(zhǎng)和捕獲。在前人研究的基礎(chǔ)上。利用吉布斯自由能生長(zhǎng)原理對(duì)金屬間化合物的鑄錠微觀組織的生長(zhǎng)和捕獲過(guò)程進(jìn)行重新定義，在該模型中考慮了生長(zhǎng)元胞及其鄰居元胞的狀態(tài)以及近鄰的鄰居元胞狀態(tài)。再結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果觀察，從而去驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性[9]。

4 小結(jié)

采用元胞自動(dòng)機(jī)方法對(duì)鎂合金界面連接機(jī)制進(jìn)行研究，將會(huì)對(duì)構(gòu)建界面擴(kuò)散連接模型的建立，微觀組織的研究起到非常重要的作用。也將對(duì)鎂合金在性能優(yōu)化，實(shí)際應(yīng)用做出很大的貢獻(xiàn)。元胞自動(dòng)機(jī)方法是模擬微觀組織演變的有力工具。而且具有廣泛的適用性和靈活性。從近幾年的研究進(jìn)展來(lái)看，國(guó)內(nèi)外都在利用元胞自動(dòng)機(jī)模型對(duì)微觀組織的晶粒長(zhǎng)大進(jìn)行模擬，而比較成熟靜態(tài)再結(jié)晶及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的研究具有以下特點(diǎn)：一是建立的二維模型模擬較多，且發(fā)展也越來(lái)越成熟，為了能夠更好地更直觀地模擬微觀組織變化，未來(lái)研究的重點(diǎn)將逐步轉(zhuǎn)向建立三維模型的模擬研究;其次是目前多是采用單一元胞自動(dòng)機(jī)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬，可以考慮將CA法與其他有限元或有限差分等宏觀的模擬方法相來(lái)結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)在宏觀和微觀尺度上對(duì)材料組織的演變的模擬;再者是目前的研究工作主要是針對(duì)純金屬或是單相合金的模擬研究，對(duì)與二相或多相合金的模擬還比較少，由于二相或多相比純金屬和單相合金要復(fù)雜很多?？傊?，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，元胞自動(dòng)機(jī)將會(huì)在材料組織領(lǐng)域模擬產(chǎn)生更大的應(yīng)用潛力和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]應(yīng)韜.純鎂和二元鎂合金的導(dǎo)熱行為研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

[2]張榮.變形速率對(duì)鎂合金變形行為的影響及退孿生的研究[D].西安工業(yè)大學(xué)，2016.

[3]翁文憑，盛敏奇，許繼芳，王璟.鎂合金鑄軋凝固過(guò)程與鑄坯組織特征分析[J].特種鑄造及有色合金，2015，35（12）：1245-1248.

[4]王廣山，邸洪雙，劉偉民.雙輥鑄軋AZ31鎂合金成形過(guò)程組織演變的研究[J].熱加工工藝，2015，44（21）：64-67.

[5]劉曉斌，楊貫中，歐陽(yáng)柳波，李勇軍.軟件體系結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演化的元胞自動(dòng)機(jī)模型研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2015，51（09）：87-92+97.

[6]Zhe Lin，Xiaohua Zhao.An improved approach to simulate seismic events based on cellular automata[J].International Journal of Modern Physics C，2020，31（04）：14-20.

[7]Sayyed Abdullah Kianejad Tejenaki，Hamid Ebadi，Ali Mohammadzadeh.A new hierarchical method for automatic road centerline extraction in urban areas using LIDAR data[J].Advances in Space Research，2019，64（9）：1792-1806.

[8]鐘茜婷，王磊，劉峰.Incoloy 028合金不連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶中鏈狀組織形成機(jī)理研究[J].金屬學(xué)報(bào)，2018，54（07）：969-980.

[9]陳飛，崔振山，董定乾.微觀組織演變?cè)詣?dòng)機(jī)模擬研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51（04）：30-39.

基金項(xiàng)目：秦皇島市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃立項(xiàng)課題——基于元胞自動(dòng)機(jī)方法的鎂合金疊軋界面微觀組織數(shù)值模擬的研究（項(xiàng)目編號(hào)：201902A018）

作者簡(jiǎn)介：肖心萍（1980—），女，漢族，河北秦皇島人，博士，副教授，研究方向：金屬材料大變形。