基于微结构演化的金属材料物理型塑性本构模型研究

Aiming to NSAF Breeding Project Guideline No.6 - "A microstructure evolution based physical constitutive model for metals", This Application will utilize the novel testing method of miniaturized specimen, which is increasingly adopted in the research area of mechanical behaviors of micro and nano-materials. Two alloys, i.e. austenitic stainless steel and vanadium alloy, will be the target materials to address, as currently CAEP pays more research focus on them. Firstly, experimental investigations on their plastic deformation behavior will be performed. Secondly, theoretical modeling is to be carried out in order to develop more accurate constitutive models based on dislocation interactions and micro-structure evolution features, so called explicit physically based constitutive models. In addition, numerically efficient methods for predicting the plastic response of the alloys will be proposed. Through this NSAF project, a deeper understanding is expected on how the micro-structure evolution influences the plastic deformation mechanisms of the alloys, and related experimental method using small-sized specimens could be provided to CAEP. All the efforts will lay solid foundations and provide a better support for the CAEP applications on multi-scale modeling and engineering simulations.

针对NSAF“培育项目”的明确目标课题―6. 基于微结构演化的金属材料物理型塑性本构模型研究，本项目拟借鉴采用微纳米材料力学行为研究中日益盛行、新颖的微小试样加载测试方法，选取中物院现阶段主体研究比较关注的奥氏体不锈钢和钒合金，开展金属材料塑性变形行为的实验测试和理论建模研究，提出更加准确可靠的基于位错相互作用、微结构演化的隐式物理型本构模型，并给出正确高效的求解方法和数值分析程序。通过本项目研究与合作，一方面深化对微结构演化影响材料塑性本构模型的机理认识，使中物院建立微结构演化的微尺度实验手段和实验方法；另一方面，完善微结构演化与塑性行为关系的系统研究，促进中物院掌握相关的数值分析方法，为中物院总体工程研究所进行更深入的多尺度研究和工程模拟计算奠定良好的基础。

本项目主要针对两类合金材料（HR2奥氏体不锈钢和V-5Cr-5Ti钒合金），开展了微小试样准静态加载力学行为实验研究，观察分析了它们其塑性变形过程中的典型微结构演化情况和力学行为特征，建立了基于位错相互作用和典型微结构演化的物理型塑性本构模型，并给出了相应的数值求解方法和分析计算程序。该物理塑性本构模型以位错动力学（位错密度、相变和孪晶演化）为基础，涵盖了位错、固溶原子、马氏体相变、晶粒尺寸以及第二相颗粒等演化的数学关系式或微分方程、屈服应力和变形与位错密度的关系式、位错密度演化以及相含量体积分量演化的表达式、以及应变强化模型等。该数值分析程序基于ABAQUS平台UMAT用户子程序功能，采用了完全隐式向后应力更新算法，包含了基于Mises屈服准则关联的正交流动法则与径向回映积分算法相结合的算法、等效塑性应变的更新算法、以及各个模型变量和内变量的更新算法等。这些两类合金材料的新的物理型塑性本构关系具有更高的预测精度，能够为中物院总体工程研究所开展相关的多尺度研究和工程模拟计算提供支撑。