孪晶诱发塑性钢硬化行为研究

孪晶诱发塑性钢硬化行为研究孪晶诱发塑性主要是指TWIP(TwinningInducedPlasticity)钢在塑性变形过程中奥氏体出现形变孪晶,促使材料强度提升、塑性增加、能量吸收能力上升、抑制裂纹扩展能力提高,它促使TWIP钢日渐成为一种优良的汽车减重用材。但孪晶诱发塑性过程不仅是一个孪晶与滑移、孪晶与孪晶、孪晶与基体交互作用的复杂过程,而且也是一个微观组织的变化与宏观力学参数密切交互作用的复杂过程。因此,对TWIP钢成形过程中的形变诱发孪晶、孪晶诱发塑性行为机制的深入理解,准确描述其塑性硬化行为,并合理控制材料流动性能,是实现TWIP钢板在车身制造中获得安全可靠应用的关键。本文针对TWIP钢的冲压成形,探索TWIP钢应变诱发孪晶机制及其对宏观应力应变场的影响规律,提出TWIP钢冲压成形工艺优化设计方法。首先,搭建原位观测平台,实现TWIP钢形变孪晶过程的原位测试;其次,基于层错能以及剪切带理论,揭示宏观力学参数(应变、应力状态、变形温度及应变速率)对奥氏体孪晶过程中形核、长大机制的影响,建立形变诱发孪晶模型;再次,以位错理论为基础,采用混合硬化准则,建立孪晶诱发塑性硬化模型,结合孪晶诱发塑性控制下的塑性流动规律,建立基于经典弹塑性理论的TWIP钢本构关系。最后,基于形变孪晶模型及其硬化模型,构建TWIP钢成形失效因子,计算其成形极限曲线,研究材料参数、模具几何参数以及成形参数对TWIP钢成形性能的影响规律,提出TWIP钢冲压成形工艺参数优化配置方法。本文研究主要内容包括:(1)TWIP钢形变孪晶原位观测实验为获得TWIP钢形变孪晶体积份数,分析使用原位观测方法的意义以及现有形变孪晶测试方法缺陷,提出搭建基于光学显微设备的单向拉伸原位测试平台。该平台通过机构保持试样两端等速度相向而行,实现试样中间部分在变形中相对静止,确定原位观测区域;采用三维位置高精度控制的辅助机构对原位观测区域的在线跟踪,实现TWIP钢形变孪晶原位测试。通过图像处理方法和网格法,计算局部孪晶区域在原位图中所占的比例,结合孪晶厚度与孪晶间距之间的关系,计算孪晶体积份数。为研究TWIP钢微观组织的变化提供实验基础。实验结果表明:随塑性变形增加,TWIP钢形变孪晶体积份数增加;随Mn含量或拉伸速度增加,TWIP钢形变孪晶体积份数降低。(2)TWIP钢形变孪晶模型以TWIP钢形变孪晶为主线,研究化学成分、环境温度等因素对层错能的影响规律,考虑形变温升效应对层错能作用,分析塑性应变对层错能模型影响机制,建立基于化学成分、温度、塑性变形的TWIP钢层错能模型;分析剪切带交叉引起局部孪晶形核、长大的机制,基于Olson和Cohen的剪切带理论,考虑温度、应力状态、拉伸速度(应变速率)对剪切带形核、长大的影响规律,结合层错能、应力状态对形变孪晶形核的控制机制,构建形变诱发孪晶模型。在此基础上,分析Mn元素、应力状态、拉伸速度(应变速率)对形变孪晶的影响规律。为研究TWIP钢宏观力学特征的变化提供微观结构变化的理论基础。(3)TWIP钢本构关系建立以孪晶诱发塑性对TWIP钢宏观力学场为目标,考虑形变孪晶对材料宏观力学特征的影响,基于经典位错模型,考虑形变孪晶对位错形成的影响,采用多相混合准则,构建TWIP钢应变硬化模型;基于经典塑性增量理论,结合孪晶诱发塑性对TWIP钢应变分量的影响,采用一致性原则和正交流动准则,构建TWIP钢本构关系。在此基础上,研究Mn含量、拉伸速度以及应力状态等参数的变化对TWIP钢硬化特性的影响规律,分析形变孪晶对TWIP钢硬化特性的影响机制,以及形变孪晶对TWIP钢在单向拉伸、杯形件冲压成形条件下失效规律的影响,揭示孪晶对TWIP钢力学性能的影响规律。为TWIP钢的可成形性研究提供理论依据。(4)TWIP钢冲压成形性能研究在冲压成形过程中,材料的变形特征与应力应变状态相关。如何合理的配置其工艺参数使材料的成形性能得以合理的发挥,是目前比较重要的研究难点。为此,以实现TWIP钢成形性能控制为研究目标,构建成形失效因子作为冲压成形性能分析基础,计算材料成形极限,分析形变孪晶对失效因子及成形极限图的影