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梯度纳米结构316L不锈钢的宏观拉伸力学行为

孙兵  
【摘要】:梯度纳米结构材料具有很高的强度和良好的塑性,其晶粒尺寸在空间上呈现出由纳米级到微米级的梯度变化。梯度纳米结构材料与普通的不同特征尺寸混合结构不一样,在不同晶粒尺寸间没有明显的界面。梯度纳米结构材料的不同晶粒尺寸之间会产生协同强化作用,不仅提高了材料的强度,延伸率也得到了优化。本文针对梯度纳米结构316L不锈钢的拉伸行为和制备方法的研究进行了如下工作:(1)通过参数反演来获得梯度纳米结构材料的本构关系。对实验获得的梯度纳米结构316L不锈钢的显微硬度数据进行函数拟合,进而插值出任一工程应变下的任一径向深度处的显微硬度值。将梯度纳米结构材料划分为粗晶层和梯度层,其中梯度层均分为14层或28层。选取线性关系作为从显微硬度到流动应力的转化关系。采用逐层外推法和参数分离法,分别对梯度层每层的转化关系参数进行反演识别。将反演所得到的转化关系参数应用到梯度层的硬度转化中,获取梯度纳米结构316L不锈钢的任一深度处的应力应变关系。(2)梯度纳米结构316L不锈钢的有限元拉伸模拟分析。建立板状和棒状两种形状的拉伸模型,并对棒状拉伸模型施加轴向残余应力,研究梯度纳米结构316L不锈钢单向拉伸过程中应力状态的变化和应变梯度的分布情况。梯度纳米结构材料的单向拉伸过程可以分为三个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段。由于拉伸过程不同层的变形不协调,试样出现多轴应力状态和应变梯度的变化分布。轴向残余应力的施加,可以减小初始屈服阶段的数值模拟和实验结果中间的误差。轴向残余应力不会影响多轴应力状态的演化,但会提高应变梯度值。(3)通过准静态压入有限元模拟,分析不同滚压装置对试样轴线偏移量的影响。设计一种可安装在车床上的轴类零件滚压加工装置,该装置也可用来制备梯度纳米结构材料。针对制备梯度纳米结构材料的工艺参数对试样塑性变形的影响进行研究,建立两种滚压有限元模型,分别模拟单道次滚压和多道次滚压工况。设置不同的模型参数:滚压速度、加工头尺寸、滚压路径以及滚压的横向进给量等,对比分析试样的塑性变形结果。结果表明:滚压速度越快、加工头的尺寸越小,并采用横向进给量小的往复滚压路径,所得到试样的等效塑性应变就更大。


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