TWIP鋼中形變孿晶的多晶體塑性有限元模擬.pdf

1、在汽車材料制造業(yè)中，減輕車體重量、提高車身鋼板成塑性的同時(shí)增強(qiáng)其抗撞擊力、增加汽車運(yùn)行安全系數(shù)等一直是該行業(yè)最為關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，開發(fā)高強(qiáng)度高塑性鋼板為實(shí)現(xiàn)汽車輕型化提供了明確的研究方向。近些年，由于孿晶誘發(fā)塑性鋼（TWIP鋼）在塑性變形過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度與較高的延展性，使其在學(xué)術(shù)界與工業(yè)界成為研究的熱點(diǎn)。
　　TWIP效應(yīng)是指錳含量為17～30％的TWIP鋼在變形過程中產(chǎn)生形變孿晶。室溫時(shí)，TWIP鋼為穩(wěn)定的奧氏體組織。在施

2、加外部載荷后，因應(yīng)變誘導(dǎo)而產(chǎn)生形變孿晶，并伴隨著大的無頸縮延伸，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能。國內(nèi)外學(xué)者對TWIP鋼成分設(shè)計(jì)、熱處理工藝、微觀機(jī)理等方面已展開了廣泛研究。目前，典型成分除了Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼外，還有Fe-Mn-C系和Fe-Mn-Si-Al系TWIP鋼。其中，F(xiàn)e-Mn-Al-C系TWIP鋼除了具有高強(qiáng)韌度外，還滿足了汽車輕量化的要求。這是因?yàn)樵撓盗袖撝屑尤肓诉m量的鋁，鋁含量的提高會明顯降低鋼的密度，從而減輕鋼板

3、重量。材料研究除了實(shí)驗(yàn)方法，模擬計(jì)算也是一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的途徑。該方法為我們提供了一個(gè)用構(gòu)建力學(xué)模型來預(yù)測材料變形行為的可行方式。晶體塑性有限元法是在有限元框架中將微觀下的位錯(cuò)滑移轉(zhuǎn)視為晶體塑性變形，并從晶粒尺度來模擬材料塑性變形的過程。該模型在預(yù)測材料變形過程中應(yīng)力應(yīng)變分布、取向演變、微觀結(jié)構(gòu)變化等結(jié)果有著突出的優(yōu)勢，這對我們認(rèn)識晶體變形機(jī)理、優(yōu)化材料性能和降低研究成本有著重要的意義。
　　基于此，本文利用晶體塑性有限元法模擬含有兩

4、種形變機(jī)制（形變孿晶與位錯(cuò)滑移）的多晶Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼在變形過程中的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)、晶體塑性變形的局部化現(xiàn)象、形變孿晶的形核長大分布特點(diǎn)及其對局部應(yīng)力應(yīng)變再分配的影響和TWIP鋼織構(gòu)演變。主要研究內(nèi)容如下:
　　1.通過開發(fā)用戶自定義材料本構(gòu)關(guān)系子程序(UMAT)，在有限元軟件ABAQUS/Standard中實(shí)現(xiàn)多晶體塑性有限元模擬。首次將面心立方晶體中典型的12個(gè)滑移系及12個(gè)孿晶系簡化成雙滑移系和雙孿晶系，借助二

5、維平面應(yīng)力有限元模型更簡單有效地研究TWIP鋼變形行為。將孿晶系視為偽滑移系引入模型中，其開動(dòng)判定標(biāo)準(zhǔn)是偽滑移面上的分解切應(yīng)力超過孿晶臨界分解切應(yīng)力時(shí)，偽滑移轉(zhuǎn)變?yōu)閷\晶。除此之外，硬化模型中還考慮了不同位錯(cuò)/孿晶之間的相互作用和位錯(cuò)與孿晶之間的相互作用，即在硬化公式中選用不同硬化系數(shù)表現(xiàn)位錯(cuò)-位錯(cuò)、孿晶-孿晶和位錯(cuò)-孿晶相互作用對應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的貢獻(xiàn)。
　　2.晶體塑性本構(gòu)模型中未知參數(shù)擬合是基于實(shí)驗(yàn)測得多晶Fe-17.5Mn-1.

6、4Al-0.6CTWIP鋼應(yīng)力-應(yīng)變曲線。主要通過改變硬化模型中材料未知參數(shù)值來模擬實(shí)驗(yàn)測得應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢，最終擬合出與實(shí)測結(jié)果相近的一組參數(shù)數(shù)據(jù)。將擬合的參數(shù)值用于預(yù)測不同取向單晶Fe-17.5Mn-1.4Al-0.6C TWIP鋼在不同加載方式下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)及孿晶體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)而驗(yàn)證擬合參數(shù)的可靠性。
　　3.對比只含有滑移系與同時(shí)含有滑移系和孿晶系形變機(jī)制的多晶體塑性有限元模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)塑性變形中形變孿晶

7、對加工硬化有額外貢獻(xiàn)，并分析了微觀孿晶與位錯(cuò)相互作用對宏觀變形行為的影響;對比含有滑移系和孿晶系的多晶體塑性有限元模型在拉伸載荷作用下的應(yīng)力響應(yīng)與孿晶體積分?jǐn)?shù)曲線，從三個(gè)階段說明孿晶形核長大特征;對比多晶TWIP鋼有限元模型在不同變形量下的Von Mises應(yīng)力、剪切應(yīng)變和孿晶分布圖，分析討論內(nèi)在因素（例如晶粒間取向錯(cuò)配）及外在因素（例如模型外加邊界條件）對形變孿晶形核長大的影響。
　　4.層錯(cuò)能是材料的重要物理屬性，會影響材料的

8、力學(xué)性能。本文通過控制TWIP鋼中化學(xué)元素錳的含量來預(yù)測室溫下Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼的力學(xué)性能，為合理開發(fā)該鋼種提供理論數(shù)據(jù)。根據(jù)層錯(cuò)能的熱力學(xué)公式，近似計(jì)算中錳Fe-xMn-1.4Al-0.6C(x=11.5、13.5、15.5、17.5和19.5 wt.％) TWIP鋼的層錯(cuò)能，從而進(jìn)一步分別得到滑移系與孿晶系的臨界切應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果顯示，隨著錳含量的增加，層錯(cuò)能增高，滑移與孿晶的臨界剪切應(yīng)力也隨之增大。模擬結(jié)果成功地解釋了

9、層錯(cuò)能對Fe-Mn-Al-C系TWIP鋼在室溫下應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)及孿晶體積分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律。
　　5.分析不同單晶模型幾何尺寸對剪切帶形成及分布的影響規(guī)律。選取長寬比為2∶1的多晶體塑性有限元模型研究晶粒取向錯(cuò)配度對應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)及形變孿晶分布的影響。單個(gè)晶粒中網(wǎng)格疏密主要影響計(jì)算過程中模型積分點(diǎn)的數(shù)量，積分點(diǎn)越多，材料求解變量對晶粒描述越多，模擬得到的結(jié)果也越精確，但相應(yīng)的計(jì)算效率會大大降低。本文分析了3種不同網(wǎng)格密度對多晶體塑性有限元

10、模型力學(xué)行為、孿晶形核長大及宏觀剪切帶的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著網(wǎng)格的細(xì)化，材料抗拉強(qiáng)度和延伸率均降低，剪切帶形貌清晰且伴有高強(qiáng)度應(yīng)變。
　　6.將位錯(cuò)滑移導(dǎo)致的晶體旋轉(zhuǎn)與孿晶導(dǎo)致的晶向改變一同引入晶體塑性有限元模型中，分別模擬拉伸、壓縮與平面應(yīng)變壓縮下TWIP鋼應(yīng)力、孿晶體積分?jǐn)?shù)及孿晶分布隨應(yīng)變變化的規(guī)律。對比了模擬平面應(yīng)變壓縮條件下含一種（位錯(cuò)）和兩種（位錯(cuò)和孿晶）形變機(jī)制的多晶TWIP鋼的織構(gòu)演變。隨著變形量的增加，在兩種形變機(jī)制