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

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

2、、海洋等領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已經(jīng)被成功地運用于對構件內部應力分布的測量。由于中子的穿透能力遠遠高于X射線，材料內部幾個厘米深處的衍射強度可以被統(tǒng)計性地獲得。而運用這兩種實驗技術表征材料微觀力學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、測量體積內的晶格應變分布。
　　 要獲得材料內部

3、的微觀應力狀態(tài)，一種簡單的方法是根據(jù)材料的彈塑性本構關系，將由衍射實驗測得的對應于不同晶面族的點陣應變轉化為該取向晶粒的微觀應力，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行為的材料，分析結果受到試樣晶體學織構的影響。另一種方法是利用多晶體形變微觀力學模型描述材料在應力載荷作用下的微觀應力演化。模型假設：多晶金屬材料是由許多取向各異的晶粒構成的集合體，材料的宏觀力學性能表現(xiàn)為該集合體包含的所有晶粒的應力

4、與應變的體積平均。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應力的同時，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。
　　 本論文運用原位中子衍射技術，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變分別進行了測量。通過分析兩相中晶格應變分布以及

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行為模擬提供了豐富的材料參數(shù)信息。論文還通過運用常規(guī)的機械性能測試手段對雙相鋼的宏觀力學行為進行了表征。在以上實驗基礎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力，材料的初始晶粒取向以及在形變過程中各相的織構演化。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確預測。
　　 另外，本論文通過原位電子背散射衍射(EBSD)技術對雙相不銹鋼在拉伸形變下的微觀結構演化與晶粒尺度的彈塑性應變進行了表征。實驗表明，隨著形變的進行，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應力

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