基於微結構演化的金屬材料塑性本構模型研究

《基於微結構演化的金屬材料塑性本構模型研究》是依託北京科技大學，由孫朝陽擔任項目負責人的聯合基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於微結構演化的金屬材料塑性本構模型研究
• 依託單位：北京科技大學
• 項目負責人：孫朝陽
• 項目類別：聯合基金項目

項目摘要

材料在多微觀機制聯合作用下的塑性變形機理及其激活、演化規律的力學行為是目前塑性力學領域的研究熱點之一。本項目擬結合典型晶體結構（FCC、BCC、HCP）金屬塑性變形過程的宏細觀特徵實驗，基於位錯動力學理論建立位錯與孿晶、晶界、空位等相互作用的特徵微元描述及細觀本構模型。系統分析塑性變形過程細觀各機制激活、演化的規律；獲得金屬塑性變形的實時動態結構演變過程及損傷過程。揭示金屬塑性變形的微觀機制，探索金屬塑性變形微觀結構演化的新規律和新機制。

結題摘要

結合TWIP鋼和鎂合金塑性變形過程微結構演化及誘發塑性的本構行為研究為切入點，結合宏細觀實驗揭示了多機制耦合的機理及各機制激活、演化的規律，主要研究內容和成果為： 採用TEM、SEM、XRD等進行了一系列微結構原位拉伸實驗，研究發現典型Fe-Mn-C系TWIP鋼變形過程孿晶和位錯相互作用、孿晶和孿晶相互作用以及孿晶取向改變引發的滑移、滑移又阻礙孿生進行使其具有高塑性高強度，經拉伸變形後其主要形成黃銅R型織構，拉伸織構並呈鋒銳增加趨勢。 獲得了LA91雙相鎂合金拉伸變形過程的織構演化規律，阿爾法相不僅啟動了基面滑移系，還啟動了柱面滑移系和錐面滑移系；貝塔相主要織構為平行於板面的織構；兩相變形前後織構類型均未產生明顯變化，但衍射峰和織構強度均有所較弱。 考慮了TWIP鋼的三種微觀變形機制（滑移、孿生、馬氏體相變）的相互作用，提出了滑移、孿生和馬氏體相變三機制的變形梯度分解，推導建立了本構模型，提出了數值更新方法。 結合各參數物理意義提出了參數的分類確定方法，對硬化參數的局部靈敏度進行了分析，進而給出了硬化參數確定的步驟及其建議取值範圍。 套用於TWIP鋼和鎂合金典型取向不同載入條件下的力學行為模擬，獲得了孿生、相變及晶界對塑性變形巨觀力學行為的影響規律，尤其是織構演化規律的影響。套用於典型衝壓過程很好地模擬了TWIP鋼的各向異性以及拉深制耳行為。 基於位錯密度及孿晶體積分數的演化建立了滑移和孿生的塑性物理本構模型，很好地反映了孿晶與滑移機制的相互作用，孿生速率與滑移速率之間負相關，孿生速率增大而滑移速率減小，孿生趨於飽和時，孿生速率降低而滑移速率則迅速增加。 進一步建立了位錯密度的TWIP鋼單晶孿生形核、增殖和長大模型，研究發現孿晶形核使得晶體重新取向，晶體取向對孿晶的形成有重要影響，孿生只有在特定取向條件下才會激活，隨著晶粒尺寸減小，孿晶形成受到抑制，尺寸效應加強。 本項目探索揭示了兩種典型晶體結構金屬塑性變形過程位錯與孿晶、相變作用，掌握了微結構的變形機制及其結構演變過程對塑性變形的影響規律，不僅為多尺度建模和成形性能研究奠定基礎，而且為探索新材料的開發提供參考。