對(duì)雙相不銹鋼微觀形變行為的研究--原位實(shí)驗(yàn)與自洽模擬.pdf

1、材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)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(duì)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(duì)這類(lèi)材料進(jìn)行熱處理或施加外力載荷的過(guò)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(jì)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(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)材料的宏觀與微觀形變行為做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，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(lái)，X射線以及中子衍射技術(shù)已經(jīng)被成功地運(yùn)用于對(duì)構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力分布的測(cè)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(gè)厘米深處的衍射強(qiáng)度可以被統(tǒng)計(jì)性地獲得。而運(yùn)用這兩種實(shí)驗(yàn)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(duì)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(cè)量，從而計(jì)算出材料在該特征方向、測(cè)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(jiǎn)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(shí)驗(yàn)測(cè)得的對(duì)應(yīng)于不同晶面族的點(diǎn)陣應(yīng)變轉(zhuǎn)化為該取向晶粒的微觀應(yīng)力，從而計(jì)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(duì)材料在承載過(guò)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(jì)算。對(duì)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(jì)算各個(gè)單相本身晶粒取向相關(guān)應(yīng)力的同時(shí)，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(duì)一種雙相（奧氏體-鐵素體）不銹鋼在承受壓縮載荷過(guò)程中各相多個(gè)晶面的晶格應(yīng)變分別進(jìn)行了測(cè)量。通過(guò)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為對(duì)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(guò)運(yùn)用常規(guī)的機(jī)械性能測(cè)試手段對(duì)雙相鋼的宏觀力學(xué)行為進(jìn)行了表征。在以上實(shí)驗(yàn)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(guò)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(guò)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(cè)。
　　 另外，本論文通過(guò)原位電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)對(duì)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(shí)驗(yàn)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(guò)使用自洽模型，我們對(duì)雙相鋼在拉伸載荷作用下的形變進(jìn)行了模擬。根據(jù)計(jì)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(shí)驗(yàn)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(guò)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)單個(gè)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