动态再结晶二次开发
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给点力的刻薄
新年给点力
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通过有限元模拟，可以十分方 便经济地获得场量信息，因此可以将有限元用于组织演化的预报和控制塑性变形过程中材料形
变储存能和位错相关，而位错和剪应力有关，因此可以采用有限元方法和晶体塑性理论相结合来计算形变储存能！看到有相关
文献说可以利用ABAQUS中的子程序来实现，可是不知道具体怎么实现，期待高手出现！
应该说的是ABAQUS的UMAT子程序,提供给你应力和应变的初值和应变增量,还有变形梯度的初值和变形后的预报值,至于晶体
塑性理论就要自己写了
利用ABAQUS计算应力，然后编程模拟变形再结晶
国内大都用abaqus，国外很多用marc的，但两者走的路线都是一直的，就是都要通过自己编写子程序实现，其中umat就是
abaqus的接口程序这其中的难点，一是利用语言来编程，可以利用fortran，vc，matlab等，二是要掌握晶体塑性变形的机
制，比如vfsc模型，taylor模型等但也有文献表明现在这些东西已经很难取得突破了，研究的热点已经转向材料晶体本构模型
的建立
=================================================
引言
高温成形过程中，金属将发生动态和静态再结晶，产生新的晶粒这种微观组织的演变在很大程度上决定了产品的宏观力学性能
[1，2]利用热加工过程控制晶 粒大小，细化微观组织，是提高产品力学性能的重要手段因此，研究材料在热成形过程中宏观力
学行为和微观组织的变化，揭示其相互之间的关系，并依据优化工 艺参数、设计塑性成形工艺和锻后冷却方案，这对解决目
前的工艺问题，提高产品质量是很有意义的，同时也是变形过程全面模拟的前沿课题[3]
有限元数值模拟技术是随着物理模拟设备的完善以及计算机技术的发展而发展起来的鉴于有限元法是目前唯一能对塑性加工过
程给出全面且较为精确数值解的分析方法，本文对材料组织性能所进行的数值模拟均采用该分析方法
数值模拟软件是求解塑性加工问题的一个基本工具现在市场上已有许多成熟的用于金属塑性加工的商业软件如 DEFORM，
MSC.MARC，MSC.SUPERFORM，Dynaform等，但这些软件都只进行宏观变形和温度的分析计算，没有考虑宏观与微观耦
合，不具备微观组织演化的模拟和预测功能，或者只具有简单的预测能力，其模型并不一定适合于所考察的问题本文通过对
Deform3D二次开发，将适合于 材料的组织模型与成形的热力耦合计算结合，模拟热成形过程中的组织演化
1 模型建立
材料在热塑性变形中除了应力和应变的变化外，还要发生复杂的微观组织变化，即动态再结晶、静态再结晶、晶粒生长等研究
表明，再结晶的晶粒尺寸和再结晶晶粒百分比，除了和原始晶粒尺寸与微量元素含量有关外，主要取决于变形及冷却过程的温
度、应变和应变速率
由于热成形过程的复杂性，很难进行现场测试，而在实验室进行研究，只能得到简单条件下的显微组织与宏观热力参数间的定
量关系图1给出了用有限元模拟材料热变形过程中微观组织演化的计算流程
在实验室通过热力模拟试验，可以获得材料的准经验数学模型，其经验模型大都是通过试验数据回归获得Avrami形式的数学
模型在对有限元软件开发过程中，将组织模型离散，在每一迭代步中计算，其计算过程如图2所示
把再结晶模型与刚粘塑性有限元程序耦合，即在子程序计算时，首先分析变形过程中的动态再结晶，在实际计算中首先判断再
结晶的体积百分数，当 X
程；当动态再结晶分数X>0.95 时，则直接转为晶粒长大的有关计算把静态再结晶模型与热传导有限元耦合，可以分析卸载后
的静态再结晶
Deform3D是由SFTC公司开发的一个体积成形有限元工艺模拟专用商业软件，其用户定义子程序的代码储存在def_usr.f中，有
限元主程序通过 调用该文件中的子程序，可以计算出用户自定义变量的值所以关键问题在于该子程序的编写其中USRMSH子
程序包含了有限元计算中所有的变量通过这个 用户子程序，可以修改所有这些变量该子程序申明如下：
SUBROUTINE USRMSH(RZ，DRZ，URZ，TEMP，DTMP，FRZA，FRZB，EFSTS，EFEPS，TEPS，RDTY，STS，
EPS，DCRP，TSRS，DAMG，USRVE，USRVN，ATOM，HEATND，EPRE，VOLT，WEAR，DUM1，PRZA，
DUM2，DUM3，HDNS，VF，DVF，VFN，TICF，GRNSZ，CURTIM，DTMAXC，BCD，NBCDT，NOD，MATR，
NBDRY，KOBJ，NUMEL，NUMNP，NDSTART，NDEND，NUMFAC，NUSRVE，NUSRND，NPHASE，ISTATUS，
NROUTINE，NONP)
其中TEMP为温度，DTMP为该迭代步的温度增量，EFEPS(NUMEL)是等效应变率，TEPS(NUMEL)是塑性应变增量在子程序
中需读入组织模拟需要的以上四个基本参量对于组织模拟来说，通过USRMSH可以修改以下参量：
VF(NPHASE，*): 再结晶分数
DFV(NPHASE，*):再结晶分数增量
DFN(NPHASE，*):静态再结晶分数
GRNSZ(*): 晶粒尺寸
实例分析
扇形齿轮摇臂轴广泛应用于汽车等各种机动车的发动机、转向系统、循环球方向系统由于在工作时受力复杂，工作环境恶劣，
要求摇臂轴有较高的力学性能因此对其热成形过程中的组织演化过程进行模拟，指导工艺有着重要的意义[4，5]
摇臂轴采用一步成形，材料采用20CrMnTi，模具材料为5CrNiMo因为工件为平面对称，所以，取其一半进行模拟，坯料划分
为52111个六面体单元，共7085个节点，上模1918个单元，下模5823个单元
坯料的材料为20CrMnTi，其组织模型如下所示：
（1）动态再结晶模型
（2）静态再结晶模型
将组织数学模型离散化，通过修改USRMSH子程序获得了模拟结果
图3是模拟使用的模型图反映材料热成形过程的主要特征参量为温度场（图4）、应变与应变速率分布（图5和图6）等而热成
形过程中材料内部显微组织的变 化，可由再结晶程度和晶粒度大小来说明（图7和图8）图中坯料内的温度场与图中应变与应
变率的等值线分布符合塑性加工过程中热力因素的变化规律由图7 可以看出，在这种等效应变分布条件下坯料内各区域都发生
了不同程度的再结晶
3 结论
采用热力耦合刚粘性有限元微观组织模拟技术，对20CrMnTi结构钢摇臂轴镦锻成形进行了模拟研究，所得到的有关场量信息
符合变形规律数值模拟结果表明：有限元组织模拟可以为摇臂轴热成形工艺的实施及产品质量的控制、生产合格产品提供理论
依据
================================================== =====================
http://articles.e-works.net.cn/cae/Article38443_1. htm
高温成形过程中，金属将发生动态和静态再结晶，产生新的晶粒这种微观组织的演变在很大程度上决定了产品的宏观力学性能
[1，2]利用热加工过程控制晶粒 大小，细化微观组织，是提高产品力学性能的重要手段因此，研究材料在热成形过程中宏观力
学行为和微观组织的变化，揭示其相互之间的关系，并依据优化工艺 参数、设计塑性成形工艺和锻后冷却方案，这对解决目
前的工艺问题，提高产品质量是很有意义的，同时也是变形过程全面模拟的前沿课题[3]
有限元数值模拟技术是随着物理模拟设备的完善以及计算机技术的发展而发展起来的鉴于有限元法是目前唯一能对塑性加工过
程给出全面且较为精确数值解的分析方法，本文对材料组织性能所进行的数值模拟均采用该分析方法
数值模拟软件是求解塑性加工问题的一个基本工具现在市场上已有许多成熟的用于金属塑性加工的商业软件如 DEFORM，
MSC.MARC，MSC.SUPERFORM，Dynaform等，但这些软件都只进行宏观变形和温度的分析计算，没有考虑宏观与微观耦
合，不具备微观组织演化的模拟和预测功能，或者只具有简单的预测能力，其模型并不一定适合于所考察的问题本文通过对
Deform3D二次开发，将适合于 材料的组织模型与成形的热力耦合计算结合，模拟热成形过程中的组织演化
1 模型建立
材料在热塑性变形中除了应力和应变的变化外，还要发生复杂的微观组织变化，即动态再结晶、静态再结晶、晶粒生长等研究
表明，再结晶的晶粒尺寸和再结晶晶粒百分比，除了和原始晶粒尺寸与微量元素含量有关外，主要取决于变形及冷却过程的温
度、应变和应变速率
由于热成形过程的复杂性，很难进行现场测试，而在实验室进行研究，只能得到简 单条件下的显微组织与宏观热力参数间的
定量关系通过有限元模拟，可以十分方便经济地获得场量信息，因此可以将有限元用于组织演化的预报和控制图1给出 了用有
限元模拟材料热变形过程中微观组织演化的计算流程
【引用】deform的再结晶 - fzmfzmfzmfzm@126的日志 -网易博客
在实验室通过热力模拟试验，可以获得材料的准经验数学模型，其经验模型大都是通过试验数据回归获得Avrami形式的数学模型在对有限元软件开发过程中，将组织模型离散，在每一迭代步中计算，其计算过程如图2
所示
deform的再结晶 - solidification - solidificationwww.cadjob.cn
target=_blank>cadjob.cn/newss/Fsmanage/RoUpimages/8131055544.jpg')"
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把再结晶模型与刚粘塑性有限元程序耦合，即在子程序计算时，首先分析变形过程中的动态再结晶，在实际计算中首先判断再
结晶的体积百分数，当 X
程；当动态再结晶分数X>0.95 时，则直接转为晶粒长大的有关计算把静态再结晶模型与热传导有限元耦合，可以分析卸载后
的静态再结晶
Deform3D是由SFTC公司开发的一个体积成形有限元工艺模拟专用商业软件，其用户定义子程序的代码储存在def_usr.f中，有
限元主程序通过 调用该文件中的子程序，可以计算出用户自定义变量的值所以关键问题在于该子程序的编写其中USRMSH子
程序包含了有限元计算中所有的变量通过这个 用户子程序，可以修改所有这些变量该子程序申明如下：
SUBROUTINE USRMSH(RZ，DRZ，URZ，TEMP，DTMP，FRZA，FRZB，EFSTS，EFEPS，TEPS，RDTY，STS，
EPS，DCRP，TSRS，DAMG，USRVE，USRVN，ATOM，HEATND，EPRE，VOLT，WEAR，DUM1，PRZA，
DUM2，DUM3，HDNS，VF，DVF，VFN，TICF，GRNSZ，CURTIM，DTMAXC，BCD，NBCDT，NOD，MATR，
NBDRY，KOBJ，NUMEL，NUMNP，NDSTART，NDEND，NUMFAC，NUSRVE，NUSRND，NPHASE，ISTATUS，
NROUTINE，NONP)
其中TEMP为温度，DTMP为该迭代步的温度增量，EFEPS(NUMEL)是等效应变率，TEPS(NUMEL)是塑性应变增量在子程序
中需读入组织模拟需要的以上四个基本参量对于组织模拟来说，通过USRMSH可以修改以下参量：
VF(NPHASE，*): 再结晶分数
DFV(NPHASE，*):再结晶分数增量
DFN(NPHASE，*):静态再结晶分数
GRNSZ(*): 晶粒尺寸
2 实例分析
扇形齿轮摇臂轴广泛应用于汽车等各种机动车的发动机、转向系统、循环球方向系统由于在工作时受力复杂，工作环境恶劣，
要求摇臂轴有较高的力学性能因此对其热成形过程中的组织演化过程进行模拟，指导工艺有着重要的意义[4，5]
摇臂轴采用一步成形，材料采用20CrMnTi，模具材料为5CrNiMo因为工件为平面对称，所以，取其一半进行模拟，坯料划分
为52111个六面体单元，共7085个节点，上模1918个单元，下模5823个单元
坯料的材料为20CrMnTi，其组织模型如下所示： （1
）动态再结晶模型
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onerror="this.src='http://cache.soso.com/img/blog/p1.gif'" onload="addjustimg(this)" type="audio/mpeg">（2
）静态再结晶模型
deform的再结晶 - solidification - solidificationwww.cadjob.cn
target=_blank>cadjob.cn/newss/Fsmanage/RoUpimages/8131153984.jpg')"
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将组织数学模型离散化，通过修改USRMSH子程序获得了模拟结果
图3是模拟使用的模型图反映材料热成形过程的主要特征参量为温度场（图4）、应变与应变速率分布（图5和图6
）等
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target=_blank>cadjob.cn/newss/Fsmanage/RoUpimages/8131221274.jpg')"
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而热成形过程中材料内部显微组织的变化，可由再结晶程度和晶粒度大小来说明（图7和图8）图中坯料内的温度场与图中应
变与应变率的等值线分布符合塑性加 工过程中热力因素的变化规律由图7可以看出，在这种等效应变分布条件下坯料内各区域
都发生了不同程度的再结晶
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3 结论
采用热力耦合刚粘性有限元微观组织模拟技术，对20CrMnTi结构钢摇臂轴镦锻成形进行了模拟研究，所得到的有关场量信息
符合变形规律数值模拟结果表明：有限元组织模拟可以为摇臂轴热成形工艺的实施及产品质量的控制、生产合格产品提供理论
依据
参考文献
[1] Kai Karhausen K. and Reiner Kopp R.. Model for Integrated Process and Microstructure Simulation in Hot Forming. Steel
Research，63(1992) No.6 p.247-256
[2] Yong-Soon Jang，Dae-Cheol Ko，Byung-Min Kim. Application of the Finite Element Method to Predict Microstructure
Evolution in the Hot Forging of Steel. Jounal of Materials Processing Technology，101(2000) 85-94
[3] 杨慧，张质良温热精密成形微观组织模拟研究热处理vol18，No.4，2003，p1-p4
[4] 陈慧琴，刘建生，郭会光Mn18Cr18N钢热成形晶粒变化的模拟研究金属学报，vol35，NO.1，1999，p53－p57
[5] 曲周德，张士宏，许沂，王忠堂扇形摇臂轴镦挤成形热力耦合分析热加工工艺20044
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