基于微结构演化的金属材料塑性本构模型研究

The mechanism of plastic deformation of the material under the combined effects of multiple microscopic mechanisms and its activation, the evolution of the mechanical behavior is the plastic mechanics research in the field of one of the hot issue. The project intends to combine macro-micro features of experiments during plastic deformation process for the typical metal with crystal structure (FCC, BCC、HCP), based on the dislocation dynamics theory to establish the characteristics of the interaction of dislocations and twins, grain boundaries, vacancies micro-mechanism description and microscopic constitutive model, analysis the mechanisms of various microstructures activated and the law of various microstructures evolution during the plastic deformation process. Evolution of the real-time dynamic structure of the plastic deformation of metals and damage process is studied, the microscopic mechanism of plastic deformation of metals is discovered, and the plastic deformation of metals microstructure evolution new laws and new mechanisms is explored.

材料在多微观机制联合作用下的塑性变形机理及其激活、演化规律的力学行为是目前塑性力学领域的研究热点之一。本项目拟结合典型晶体结构（FCC、BCC、HCP）金属塑性变形过程的宏细观特征实验，基于位错动力学理论建立位错与孪晶、晶界、空位等相互作用的特征微元描述及细观本构模型。系统分析塑性变形过程细观各机制激活、演化的规律；获得金属塑性变形的实时动态结构演变过程及损伤过程。揭示金属塑性变形的微观机制，探索金属塑性变形微观结构演化的新规律和新机制。

结合TWIP钢和镁合金塑性变形过程微结构演化及诱发塑性的本构行为研究为切入点，结合宏细观实验揭示了多机制耦合的机理及各机制激活、演化的规律，主要研究内容和成果为：.采用TEM、SEM、XRD等进行了一系列微结构原位拉伸实验，研究发现典型Fe-Mn-C系TWIP钢变形过程孪晶和位错相互作用、孪晶和孪晶相互作用以及孪晶取向改变引发的滑移、滑移又阻碍孪生进行使其具有高塑性高强度，经拉伸变形后其主要形成黄铜R型织构，拉伸织构并呈锋锐增加趋势。.获得了LA91双相镁合金拉伸变形过程的织构演化规律，阿尔法相不仅启动了基面滑移系，还启动了柱面滑移系和锥面滑移系；贝塔相主要织构为平行于板面的织构；两相变形前后织构类型均未产生明显变化，但衍射峰和织构强度均有所较弱。.考虑了TWIP钢的三种微观变形机制（滑移、孪生、马氏体相变）的相互作用，提出了滑移、孪生和马氏体相变三机制的变形梯度分解，推导建立了本构模型，提出了数值更新方法。.结合各参数物理意义提出了参数的分类确定方法，对硬化参数的局部灵敏度进行了分析，进而给出了硬化参数确定的步骤及其建议取值范围。.应用于TWIP钢和镁合金典型取向不同加载条件下的力学行为模拟，获得了孪生、相变及晶界对塑性变形宏观力学行为的影响规律，尤其是织构演化规律的影响。应用于典型冲压过程很好地模拟了TWIP钢的各向异性以及拉深制耳行为。.基于位错密度及孪晶体积分数的演化建立了滑移和孪生的塑性物理本构模型，很好地反映了孪晶与滑移机制的相互作用，孪生速率与滑移速率之间负相关，孪生速率增大而滑移速率减小，孪生趋于饱和时，孪生速率降低而滑移速率则迅速增加。.进一步建立了位错密度的TWIP钢单晶孪生形核、增殖和长大模型，研究发现孪晶形核使得晶体重新取向，晶体取向对孪晶的形成有重要影响，孪生只有在特定取向条件下才会激活，随着晶粒尺寸减小，孪晶形成受到抑制，尺寸效应加强。.本项目探索揭示了两种典型晶体结构金属塑性变形过程位错与孪晶、相变作用，掌握了微结构的变形机制及其结构演变过程对塑性变形的影响规律，不仅为多尺度建模和成形性能研究奠定基础，而且为探索新材料的开发提供参考。