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梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的晶體塑性有限元分析

強(qiáng)度和韌性的“倒置關(guān)系”是材料研究領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的難題。大量的實(shí)驗(yàn)表明，隨著金屬材料內(nèi)部晶粒尺寸的降低，在強(qiáng)度獲得提升的同時(shí)，韌性將大打折扣。目前，廣泛采用的高強(qiáng)材料韌化策略有：（1）改變組分，通過引入和調(diào)整材料的多種主要元素，同時(shí)激活多種塑性變形機(jī)制，高熵合金材料就是采用這種思路；（2）改變微結(jié)構(gòu)，在材料內(nèi)部引入一種或多種梯度分布的微結(jié)構(gòu)，避免由于特征長(zhǎng)度突變帶來(lái)的性能突變，有效克服金屬材料強(qiáng)度和韌性的失配問題，這種材料被稱為梯度納米結(jié)構(gòu)材料。圖1 梯度結(jié)構(gòu)金屬材料的類型（摘自：李毅，梯度結(jié)構(gòu)金屬材料研究進(jìn)展，中國(guó)材料進(jìn)展，2016, 35: 658-665）人工制備的梯度納米金屬結(jié)構(gòu)主要包括以下幾種：梯度晶粒，梯度位錯(cuò)，梯度孿晶，梯度固溶物，梯度相，以及包含兩種以上的梯度混合結(jié)構(gòu)。在已經(jīng)發(fā)展成熟的金屬材料內(nèi)部引入梯度納米結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高其強(qiáng)韌性匹配能力。例如，通過表面研磨處理（SMAT）在孿晶誘發(fā)塑性（TWIP）鋼表面引入大量的塑性變形，使其表面晶粒細(xì)化，隨著深度的增加，晶粒細(xì)化的程度逐漸降低，同時(shí)塑性變形也會(huì)導(dǎo)致位錯(cuò)演化和孿晶的產(chǎn)生，因此在TWIP鋼內(nèi)部形成了包含梯度晶粒，梯度位錯(cuò)和梯度孿晶的梯度混合結(jié)構(gòu)。這種梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的強(qiáng)度可以提升50%，斷裂應(yīng)變僅從60%下降到52%，具有更高的強(qiáng)韌性匹配能力。目前，關(guān)于梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的研究集中于實(shí)驗(yàn)，反映物理機(jī)制的本構(gòu)模型研究還鮮見報(bào)道。西南交通大學(xué)力學(xué)與工程學(xué)院張旭教授與德國(guó)馬普鋼鐵所、中國(guó)鋼鐵研究總院等機(jī)構(gòu)開展合作，指導(dǎo)博士生陸曉翀發(fā)展出考慮位錯(cuò)滑移和變形孿晶等物理機(jī)制的微結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)晶體塑性本構(gòu)模型。依托DAMASK平臺(tái)將該模型移植有限元，并對(duì)梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的單軸拉伸變形行為展開模擬，揭示了其微結(jié)構(gòu)演化與宏觀性能之間的關(guān)系，量化了不同梯度結(jié)構(gòu)對(duì)材料強(qiáng)韌性的貢獻(xiàn)。相關(guān)研究工作已在金屬材料與固體力學(xué)交叉領(lǐng)域頂級(jí)期刊《International Journal of Plasticity》上在線發(fā)表，論文題目為Crystal plasticity finite element analysis of gradient nanostructured TWIP steel。論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2020.102703作者首先使用不同晶粒尺寸Fe-15Mn-2Al-2Si-0.7C (wt.%) TWIP鋼的單拉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該模型的合理性，結(jié)果表明該模型對(duì)不同尺寸下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)和應(yīng)變強(qiáng)化行為都可以較好地描述，特別是細(xì)晶TWIP鋼硬化率曲線中的up-turn效應(yīng)。通過對(duì)內(nèi)變量演化的分析及對(duì)比性模擬，作者發(fā)現(xiàn)這種up-turn效應(yīng)源自于細(xì)晶中顯著的背應(yīng)力。圖2 對(duì)比不同晶粒尺寸TWIP鋼的單拉實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果由于梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的微結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，晶粒數(shù)目眾多，通過采用三維均勻化方法，建立了宏觀試樣尺寸的有限元模型。通過對(duì)每層單元賦予不同的晶粒尺寸，初始位錯(cuò)密度和孿晶體積分?jǐn)?shù)，離散地描述材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的梯度分布，并通過梯度網(wǎng)格劃分方法進(jìn)一步減少單元數(shù)目。對(duì)于材料表層微結(jié)構(gòu)變化劇烈的區(qū)域，采用密度較高的網(wǎng)格，以保證更加精確地描述微結(jié)構(gòu)的梯度變化。圖3三維均勻化方法示意圖作者利用發(fā)展的晶體塑性模型，對(duì)均勻和梯度納米結(jié)構(gòu)的Fe-10Mn-0.5C-3Ni (wt.%) TWIP鋼的單拉變形行為進(jìn)行模擬。結(jié)果表明，在合理描述均勻結(jié)構(gòu)TWIP鋼應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的基礎(chǔ)上，通過引入微結(jié)構(gòu)的梯度分布，無(wú)需修改任何參數(shù)就可以較好地描述梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的單拉力學(xué)行為。通過對(duì)比變形云圖，作者發(fā)現(xiàn)均勻和梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的表面都會(huì)變的粗糙不平，但梯度納米結(jié)構(gòu)的表面粗糙度更加明顯，產(chǎn)生的應(yīng)變局域化形成了兩個(gè)凹陷區(qū)，且凹陷區(qū)在垂直于平面方向也會(huì)發(fā)生收縮。隨著深度的增加，收縮程度逐漸降低。通過對(duì)比性模擬，作者發(fā)現(xiàn)表面凹陷區(qū)的出現(xiàn)就是梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼韌性略微下降的原因。而應(yīng)變局域化的產(chǎn)生與表面納米層晶粒的應(yīng)變強(qiáng)化能力有關(guān)，提高表面納米晶的硬化能力，就可以抑制表面凹陷區(qū)的出現(xiàn)和韌性的下降。此外，作者通過分析不同層位錯(cuò)密度的演化，進(jìn)一步證實(shí)了上述觀點(diǎn)。作者還通過對(duì)比性模擬量化了不同梯度結(jié)構(gòu)對(duì)材料強(qiáng)韌性的貢獻(xiàn)。結(jié)果表明：強(qiáng)度的提升源于梯度位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，梯度晶粒和梯度孿晶結(jié)構(gòu)有助于保持材料的應(yīng)變強(qiáng)化能力。圖4 均勻結(jié)構(gòu)和梯度納米結(jié)構(gòu)TWIP鋼的模擬結(jié)果對(duì)比分析。

西南交通大學(xué) 2021-04-10

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