Nimonic 80A高温合金是一种典型的镍基合金,由于在高温下具有十分优异的强度以及抗蠕变能力、抗氧化能力以及抗腐蚀能力,而被广泛应用于制造涡轮叶片、燃气轮机、螺栓以及衬套等方面。另一方面,由于其过高的强度,制造过程通常较困难。通常在热状态下进行加工。而在高温受热变形时,材料内部通常会存在很多变形机制,如加工硬化、动态回复、动态再结晶、静态回复、静态再结晶和亚动态再结晶等。这些变形机制对材料变形过程中微观组织的变化都有着重要的影响,因此为了合理地控制材料最终的性能,对材料的热加工过程进行研究显得至关重要。而在实际过程中,材料内部的微观机制难以直接观测,在定量研究微观组织的演化方面一直停留在理论公式。计算材料学的诞生有效的解决了这一问题,通过结合实际过程的数值计算,预测并指导实际加工过程,能够节省大量的实验成本以及人力物力。本文针对Nimonic 80A高温合金在单道次和双道次热压缩加工过程中的内部组织变化进行了元胞自动机(CA)建模,并且分别模拟了晶粒长大过程、动态再结晶过程以及静态再结晶过程,主要研究内容和结论如下:1.基于热激活机制、曲率驱动机制和能量最低原理,建立Nimonic 80A高温合金晶粒长大过程的CA模型。研究了材料在不同保温温度和不同保温时间下的晶粒长大行为。针对模拟结果进行了一系列Gleeble-1500真空加热实验,结果证实,建立的CA模型能有效再现Nimonic 80A高温合金的晶粒长大现象。随着时间步的增长,晶粒尺寸逐渐增大,晶粒数目不断减小,奥氏体晶界变得平直光滑,最终所有奥氏体晶粒趋于正六边形。整个过程没有出现异常长大。整体晶粒长大的模型符合Sellars模型。2.基于热变形时位错密度变化的物理冶金学原理,建立动态再结晶过程的CA模型。模型中详细给出了加工硬化、动态回复过程中位错密度的演变公式、动态再结晶的形核率公式、再结晶晶粒长大速度公式,并且详细讨论了再结晶前沿位错密度模型。针对模拟结果进行了一系列Gleeble-1500单道次热压缩实验,实验结果证实,建立的CA模型能有效再现Nimonic 80A高温合金的动态再结晶现象。结果表明,热加工过程的内部组织受到温度和应变速率的作用。随着温度增加,再结晶平均晶粒尺寸和分数都增加,而应变率的增加使两者都减小。3.基于热变形过程以及变形间隙过程中的变形机制,建立静态再结晶过程的CA模型。模型中详细给出了静态回复过程中位错密度演化模型、孕育期模型、形核率模型和晶粒长大模型等。针对模拟结果进行了一系列Gleeble-1500双道次热压缩实验,实验结果证实,建立的CA模型能有效再现Nimonic 80A高温合金的静态再结晶现象。结果表明变形间隙过程中的微观组织变化受到间隙时间、变形温度、前一道次应变、应变速率和初始奥氏体晶粒尺寸等因素影响。其中间隙时间和变形温度起主要作用。随着间隙时间的增长,整体再结晶分数以及晶粒尺寸增大。升高的温度同样使得整体再结晶分数以及晶粒尺寸增加,并且静态回复作用也增强。4.基于双道次热压缩变形过程中的变形机制以及与静态再结晶过程的本质区别与联系,建立亚动态再结晶过程的CA模型。其中第一道次为加工硬化、动态软化和再结晶的形核与长大机制;变形间隙过程中只发生再结晶核心的长大现象而无新晶粒形成;第二道次为加工硬化、动态软化以及亚动态再结晶晶粒的继续生长行为。Gleeble-1500双道次热压缩实验结果证明,建立的CA模型能有效再现Nimonic 80A高温合金的亚动态再结晶现象。