微区位错与相变-孪生联合诱发塑性变形的跨尺度建模及应用

Transformation-twinning induced plasticity (TRIP-TWIP) steels, which provide a great potential to solve the strengthening and toughening problem owing to the interactions of micro-zone dislocation, twinning and transformation, is an new advanced high strength steel (AHSS). Mechanical behavior of plastic deformation under the combination of multi-microscopic mechanism is currently one of the hot topics in the field of metal forming. In order to overcome the limit to describe the “large scale” by discrete dislocation dynamics (DDD) model and the missing information by crystal plasticity finite element (CPFE) model, the micro-pillar compression test together with the “quasi in-situ” tensile test in the selected region using EBSD-SEM-TEM will be carried out for the transformation-twinning induced plasticity steels. The quantitative relation of "dislocation flow" which is considered as a variable between CPFE model and DDD model will be articulated. Depending on the phenomenological dislocation dynamic (DD) model, a coupled approach between micro-zone DDD model and CPFE model will be presented and then a cross-scale model will be established. The activation and evolution laws of micro-zone dislocation, twinning, and phase transformation during plastic deformation process could be analyzed. It is important for this project to explore the new cross-scale modeling approach using multi-microscopic mechanism, to reveal the strengthening and toughening mechanism induced by microstructure evolution for TRIP-TWIP steels. This multiscale modelling will lay a significant foundation to accurately simulate the sheet metal forming process.

依靠微区位错与孪生、相变联合增强增塑的相变-孪生诱发塑性（TRIP-TWIP）钢是一种新型强韧化钢，多微观机制联合作用诱发塑性的塑性力学行为是目前塑性加工领域的研究热点之一。为了克服离散位错动力学模型“大尺度”限制及晶体塑性模型信息丢失等问题，拟通过微柱压缩实验和EBSD、SEM、TEM联合的选区“准原位”拉伸实验，以“位错流”为变量，借助唯象位错动力学模型（DD）实现微区离散位错动力学（DDD）与晶体塑性有限元（CPFE）模型的关联并建立跨尺度力学模型，深入分析塑性变形过程微区位错与相变及孪生的演化规律。项目意义在于探索多机制跨尺度塑性力学行为描述的新方法，阐明TRIP-TWIP钢塑性变形过程微结构演化诱发塑性及其增强增塑的机理，为塑性加工过程更精细地模拟奠定基础。

TWIP-TRIP钢是由位错滑移与孪生机制共同诱发塑性，掌握其塑性变形过程中微观机制相互作用机理及其对宏观增强增塑的影响规律是亟需解决问题之一。本项目以TWIP钢塑性变形微区位错与孪生联合作用的跨尺度表征为切入点，分别发展了微观、细观和宏观尺度相对应的离散位错动力学、物理基唯象位错动力学和晶体塑性有限元方法，并进一步建立了离散位错与晶体塑性非直接耦合的跨尺度力学模型，系统研究了TWIP钢变形过程中从微观到细观进而到宏观的塑性变形行为。取得的进展为：.（1）以典型Fe-Mn-Si-Al系高锰TWIP钢为研究对象进行了宏微观实验，研究揭示了塑性变形中孪生演化过程并确定了孪晶片层在大角度晶界处形核。通过分析变形织构组分的稳定性，表明孪生对铜型与黄铜型织构影响较大。.（2）考虑TWIP钢塑性变形过程孪晶、晶界与位错的相互作用，引入孪晶界位错反应及其拓扑反应准则，建立了耦合孪晶的TWIP钢多晶三维离散位错动力学（3D-DDD）模型。该模型直观描述了位错在孪晶界和晶界的反应过程，尤其是不同位错在孪晶界的分解反应。应用该模型定量研究了TWIP钢塑性变形过程中孪晶对流动应力的贡献。.（3）采用位错理论耦合孪生能量方法分别定量计算了孪晶表面源和内部源形核、长大对应的临界孪生应力，确定了TWIP钢单晶孪晶内部源形核和表面源长大的激活演化方式，建立了考虑孪晶形核、增殖和长大的物理基唯象位错动力学（DD）模型。.（4）通过3D-DDD从微观尺度模拟研究TWIP钢拉伸过程位错在孪晶界和晶界的演化过程，采用统计方法对比分析了孪晶界和晶界对位错滑移的阻碍强度，并将该结论传递至CPFE模型，建立了3D-DDD和CPFE非直接耦合的跨尺度模型，进一步采用CPFE研究了TWIP钢变形过程弧形硬化曲线形成机理。结果表明，孪晶体积增加导致位错密度增加率大于动态回复导致的位错密度减少率时应变硬化率增加，形成弧形硬化曲线；晶粒尺寸越小，应变硬化率峰值应变越小。