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高锰钢塑性变形机制的晶体塑性建模研究及应用

郭宁  
【摘要】:TWIP钢能够充分发挥孪生相变诱发塑性(TWinning/TRansformation Induced Plasticity,TWIP/TRIP)效应,为解决增强增塑的矛盾指明了方向。该钢是依靠滑移、孪生和马氏体相变多机制耦合诱发塑性,掌握细观多机制耦合机理及TWIP与TRIP效应协调实现高强高塑是亟需解决的问题之一。本文建立了考虑TWIP与TRIP效应的晶体塑性本构模型,系统研究了细观多机制竞争和耦合及其对宏观增强、增塑的影响规律,拓展应用于微拉深制耳演化过程。本文的主要研究工作如下:以典型Fe-Mn-Si-Al系高锰TWIP钢为研究对象进行了宏微观实验,研究揭示了塑性变形中孪生演化过程并确定了孪晶片层在大角度晶界处形核。通过分析变形织构组分的稳定性,表明孪生对铜型与黄铜型织构影响较大。针对TWIP与TRIP效应协调作用机制,建立了耦合滑移、孪生和马氏体相变的晶体塑性本构模型。该模型考虑马氏体晶体结构、形态对其动力学进行了描述,并加权耦合至塑性速度梯度;引入马氏体相变驱动力判断相变系的激活,马氏体相变体积分数演化描述相变的流动法则。该模型较好地反映了 TWIP与TRIP效应作用下应变硬化行为。揭示了高锰TWIP钢塑性变形中是以马氏体相变为主导的硬化模式;相变和孪生依次诱发应力陡降。针对TWIP效应易于诱发大塑性变形的特点,建立了嵌入阶段式硬化拓展法则的耦合滑移和孪生的晶体塑性本构模型。该模型的滑移阻力演化对初始硬化、硬化陡降和二次滑移硬化三阶段进行描述。较好地再现了 TWIP效应作用下阶段式硬化行为。基于该模型研究揭示了滑移和孪生激活量主导初始硬化;孪晶体积分数饱和值导致应力陡降;孪晶区滑移系再次激活诱发二次硬化。针对微尺度晶粒及几何尺寸影响塑性滑移的机制,将尺寸度量因子与滑移阻力关联引入耦合滑移和孪生的晶体塑性本构模型,提出了适用于板材微成形的耦合尺寸效应的模型。应用于分析典型高锰TWIP钢微拉深过程制耳演化的尺寸效应和取向效应。结果表明,制耳轮廓显著性与尺寸度量因子成正相关;制耳高度受高斯型取向影响最大;制耳轮廓对称分布是由滑移系的对称激活导致。


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