對雙相不銹鋼微觀形變行為的研究--原位實驗與自洽模擬.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)對構(gòu)件的強(qiáng)度、斷裂韌性和疲勞行為影響巨大,直接關(guān)系到材料的服役安全及使用壽命。對于目前在工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的多相合金而言,由于其各相具有不同的熱膨脹系數(shù)及機(jī)械性能,在對這類材料進(jìn)行熱處理或施加外力載荷的過程中,材料的應(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)晶粒尺度上的不均勻分布,并導(dǎo)致相間應(yīng)力及晶粒取向相關(guān)應(yīng)力的產(chǎn)生。因此,隨著當(dāng)今數(shù)值分析和計算技術(shù)的發(fā)展,大量研究正在致力于運(yùn)用先進(jìn)的計算機(jī)模擬技術(shù)對材料的宏觀與微觀形變行為做出準(zhǔn)確預(yù)測,從而為航空

2、、海洋等領(lǐng)域用工程材料的研發(fā)提供可靠的理論依據(jù)。
   近年來,X射線以及中子衍射技術(shù)已經(jīng)被成功地運(yùn)用于對構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布的測量。由于中子的穿透能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于X射線,材料內(nèi)部幾個厘米深處的衍射強(qiáng)度可以被統(tǒng)計性地獲得。而運(yùn)用這兩種實驗技術(shù)表征材料微觀力學(xué)行為的原理基本相同,即在某一宏觀試樣方向下對材料中不同晶面衍射峰的位置和寬度變化進(jìn)行選擇性的測量,從而計算出材料在該特征方向、測量體積內(nèi)的晶格應(yīng)變分布。
   要獲得材料內(nèi)部

3、的微觀應(yīng)力狀態(tài),一種簡單的方法是根據(jù)材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系,將由衍射實驗測得的對應(yīng)于不同晶面族的點陣應(yīng)變轉(zhuǎn)化為該取向晶粒的微觀應(yīng)力,從而計算出不同取向晶粒間的交互作用力。然而,這種方法僅適用于具有各向同性力學(xué)行為的材料,分析結(jié)果受到試樣晶體學(xué)織構(gòu)的影響。另一種方法是利用多晶體形變微觀力學(xué)模型描述材料在應(yīng)力載荷作用下的微觀應(yīng)力演化。模型假設(shè):多晶金屬材料是由許多取向各異的晶粒構(gòu)成的集合體,材料的宏觀力學(xué)性能表現(xiàn)為該集合體包含的所有晶粒的應(yīng)力

4、與應(yīng)變的體積平均。因此,利用多晶體形變模型可以對材料在承載過程中具有某種特征取向的晶粒集合體的彈塑性行為做出計算。對于模擬被廣泛作為工程材料使用的多相合金而言,模型則需要在計算各個單相本身晶粒取向相關(guān)應(yīng)力的同時,考慮存在于不同相的晶粒與晶粒之間(相與相之間)相互作用的影響。
   本論文運(yùn)用原位中子衍射技術(shù),對一種雙相(奧氏體-鐵素體)不銹鋼在承受壓縮載荷過程中各相多個晶面的晶格應(yīng)變分別進(jìn)行了測量。通過分析兩相中晶格應(yīng)變分布以及

5、其隨宏觀載荷的變化,我們得知,材料中存在明顯的晶粒間相互作用力。實驗數(shù)據(jù)為對雙相不銹鋼的彈塑性各向異性研究和微觀力學(xué)行為模擬提供了豐富的材料參數(shù)信息。論文還通過運(yùn)用常規(guī)的機(jī)械性能測試手段對雙相鋼的宏觀力學(xué)行為進(jìn)行了表征。在以上實驗基礎(chǔ)上建立的雙相合金的彈塑性自洽模型,考慮了形變前平衡于兩相之間的熱殘余應(yīng)力,材料的初始晶粒取向以及在形變過程中各相的織構(gòu)演化。因此,模型可以為雙相各向異性材料在承載過程中,由于不同相和不同取向晶粒的力學(xué)行為差

6、異所引起的相間及晶粒間彈塑性交互作用做出準(zhǔn)確預(yù)測。
   另外,本論文通過原位電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)對雙相不銹鋼在拉伸形變下的微觀結(jié)構(gòu)演化與晶粒尺度的彈塑性應(yīng)變進(jìn)行了表征。實驗表明,隨著形變的進(jìn)行,材料中的小角度晶界呈現(xiàn)特征性分布。即在某些晶界、孿晶界以及晶粒內(nèi)部,小角度晶界的密度隨形變量的增大而連續(xù)增加。通過使用自洽模型,我們對雙相鋼在拉伸載荷作用下的形變進(jìn)行了模擬。根據(jù)計算得出的雙相材料中存在于各相的晶粒取向相關(guān)應(yīng)力

7、以及兩相相互作用力的分布及演化規(guī)律,實驗結(jié)果被解釋為由具有不同取向和晶體結(jié)構(gòu)的晶粒在形變過程中發(fā)生了應(yīng)力與應(yīng)變的相互協(xié)調(diào)所致。并且,模擬得到的奧氏體和鐵素體中特征取向的微觀應(yīng)變與實驗獲得的各相中不同取向晶粒的平均應(yīng)變吻合得較好。
   本文還將自洽模型應(yīng)用到對雙相不銹鋼冷軋織構(gòu)的模擬。由于材料中各相的形變機(jī)制直接影響其形變織構(gòu),模擬結(jié)果表明,在對單個晶粒選取適當(dāng)?shù)幕葡底鳛樾巫儥C(jī)制以及應(yīng)力/應(yīng)變張量作為邊界條件的前提下,模型可以

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