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原文传递 TWIP钢中形变孪晶的多晶体塑性有限元模拟

论文题名：	TWIP钢中形变孪晶的多晶体塑性有限元模拟
关键词：	TWIP钢;形变孪晶;多晶体塑性;有限元模型;汽车材料
摘要：	在汽车材料制造业中，减轻车体重量、提高车身钢板成塑性的同时增强其抗撞击力、增加汽车运行安全系数等一直是该行业最为关注的焦点。因此，开发高强度高塑性钢板为实现汽车轻型化提供了明确的研究方向。近些年，由于孪晶诱发塑性钢（TWIP钢）在塑性变形过程中表现出优异的强度与较高的延展性，使其在学术界与工业界成为研究的热点。　　TWIP效应是指锰含量为17～30％的TWIP钢在变形过程中产生形变孪晶。室温时，TWIP钢为稳定的奥氏体组织。在施加外部载荷后，因应变诱导而产生形变孪晶，并伴随着大的无颈缩延伸，从而表现出优异的力学性能。国内外学者对TWIP钢成分设计、热处理工艺、微观机理等方面已展开了广泛研究。目前，典型成分除了Fe-Mn-Al-C系TWIP钢外，还有Fe-Mn-C系和Fe-Mn-Si-Al系TWIP钢。其中，Fe-Mn-Al-C系TWIP钢除了具有高强韧度外，还满足了汽车轻量化的要求。这是因为该系列钢中加入了适量的铝，铝含量的提高会明显降低钢的密度，从而减轻钢板重量。材料研究除了实验方法，模拟计算也是一个经济有效的途径。该方法为我们提供了一个用构建力学模型来预测材料变形行为的可行方式。晶体塑性有限元法是在有限元框架中将微观下的位错滑移转视为晶体塑性变形，并从晶粒尺度来模拟材料塑性变形的过程。该模型在预测材料变形过程中应力应变分布、取向演变、微观结构变化等结果有着突出的优势，这对我们认识晶体变形机理、优化材料性能和降低研究成本有着重要的意义。　　基于此，本文利用晶体塑性有限元法模拟含有两种形变机制（形变孪晶与位错滑移）的多晶Fe-Mn-Al-C系TWIP钢在变形过程中的应力应变响应、晶体塑性变形的局部化现象、形变孪晶的形核长大分布特点及其对局部应力应变再分配的影响和TWIP钢织构演变。主要研究内容如下: 　　1.通过开发用户自定义材料本构关系子程序(UMAT)，在有限元软件ABAQUS/Standard中实现多晶体塑性有限元模拟。首次将面心立方晶体中典型的12个滑移系及12个孪晶系简化成双滑移系和双孪晶系，借助二维平面应力有限元模型更简单有效地研究TWIP钢变形行为。将孪晶系视为伪滑移系引入模型中，其开动判定标准是伪滑移面上的分解切应力超过孪晶临界分解切应力时，伪滑移转变为孪晶。除此之外，硬化模型中还考虑了不同位错/孪晶之间的相互作用和位错与孪晶之间的相互作用，即在硬化公式中选用不同硬化系数表现位错-位错、孪晶-孪晶和位错-孪晶相互作用对应力应变响应的贡献。　　2.晶体塑性本构模型中未知参数拟合是基于实验测得多晶Fe-17.5Mn-1.4Al-0.6CTWIP钢应力-应变曲线。主要通过改变硬化模型中材料未知参数值来模拟实验测得应力-应变曲线变化趋势，最终拟合出与实测结果相近的一组参数数据。将拟合的参数值用于预测不同取向单晶Fe-17.5Mn-1.4Al-0.6C TWIP钢在不同加载方式下的应力应变响应及孪晶体积分数，进而验证拟合参数的可靠性。　　3.对比只含有滑移系与同时含有滑移系和孪晶系形变机制的多晶体塑性有限元模型的应力-应变曲线，发现塑性变形中形变孪晶对加工硬化有额外贡献，并分析了微观孪晶与位错相互作用对宏观变形行为的影响;对比含有滑移系和孪晶系的多晶体塑性有限元模型在拉伸载荷作用下的应力响应与孪晶体积分数曲线，从三个阶段说明孪晶形核长大特征;对比多晶TWIP钢有限元模型在不同变形量下的Von Mises应力、剪切应变和孪晶分布图，分析讨论内在因素（例如晶粒间取向错配）及外在因素（例如模型外加边界条件）对形变孪晶形核长大的影响。　　4.层错能是材料的重要物理属性，会影响材料的力学性能。本文通过控制TWIP钢中化学元素锰的含量来预测室温下Fe-Mn-Al-C系TWIP钢的力学性能，为合理开发该钢种提供理论数据。根据层错能的热力学公式，近似计算中锰Fe-xMn-1.4Al-0.6C(x=11.5、13.5、15.5、17.5和19.5 wt.％) TWIP钢的层错能，从而进一步分别得到滑移系与孪晶系的临界切应力。计算结果显示，随着锰含量的增加，层错能增高，滑移与孪晶的临界剪切应力也随之增大。模拟结果成功地解释了层错能对Fe-Mn-Al-C系TWIP钢在室温下应力应变响应及孪晶体积分数的影响规律。　　5.分析不同单晶模型几何尺寸对剪切带形成及分布的影响规律。选取长宽比为2∶1的多晶体塑性有限元模型研究晶粒取向错配度对应力应变响应及形变孪晶分布的影响。单个晶粒中网格疏密主要影响计算过程中模型积分点的数量，积分点越多，材料求解变量对晶粒描述越多，模拟得到的结果也越精确，但相应的计算效率会大大降低。本文分析了3种不同网格密度对多晶体塑性有限元模型力学行为、孪晶形核长大及宏观剪切带的影响。结果发现随着网格的细化，材料抗拉强度和延伸率均降低，剪切带形貌清晰且伴有高强度应变。　　6.将位错滑移导致的晶体旋转与孪晶导致的晶向改变一同引入晶体塑性有限元模型中，分别模拟拉伸、压缩与平面应变压缩下TWIP钢应力、孪晶体积分数及孪晶分布随应变变化的规律。对比了模拟平面应变压缩条件下含一种（位错）和两种（位错和孪晶）形变机制的多晶TWIP钢的织构演变。随着变形量的增加，在两种形变机制作用下，模型的{112}<111>铜织构和{110}<001>高斯织构呈现先增强后降低的趋势，{011}<211>黄铜织构越来越强。
作者：	王园园
专业：	材料学
导师：	王沿东
授予学位：	博士
授予学位单位：	东北大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文