多相金属材料介观尺度塑性变形机制研究

It is an effective way that micro-forming can reduce the production cost and be quantity production for the expensive micro-parts. However, it greatly limits the maintenance requirements of stable process of micro-forming due to that the heterogeneity of the microstructure and deformation distribution can induce the undesirable changes of the materials mechanical behaviors. Therefore, one of the important problems to be solved is established a meso-scale model for the heterogeneous material and developed this technology into micro-parts manufacturing..This project aims to study the microstructure strain fields, the strain hardening behaviors and build a kinetic hardening constitutive model with size effect and the heterogeneity distribution of the microstructure and the strain in meso-scale field. Firstly, the microstructure strain field model is established in situ observation. Secondly, a mixture strain hardening law with size effect is proposed based on the dislocation theory and the hypothesis that the strain energy density of material equals the sum of that in each phase. Thirdly, a meso-scale kinetic hardening model is developed based on continuum mechanics theory with the strain hardening and microstructure strain field of material in complex loading path. Finally, a meso-scale multi-phase evaluation method and the influences of forming process parameters on the mechanical behaviors for micro-forming process are studied and the parameters are optimized by the robust method to control the micro-sheet forming process. All the models above proposed an appropriate theories to guide the micro-parts forming process.

微塑性成形技术是实现高造价的微型零件批量生产、降低制造成本的有效途径。但由于微观组织及其变形的非均匀性而引起的材料宏观塑性行为变化，严重制约微成形工艺的稳定性。因此如何构建非均匀材料的介观尺度模型是解决微成形技术应用难题的关键途径之一。.本项目针对多相金属材料微成形过程中的微观组织及其变形的非均匀性，探索介观尺度下多相组织变形特征以及应变硬化规律，构建动态强化本构模型。首先，基于介观尺度材料成形原位观测，建立多相组织介观尺度材料变形场模型；其次，基于位错理论及等功原理，建立介观尺度多相材料混合硬化准则；再次，研究复杂变形条件下介观尺度材料多相变形特征，采用连续介质力学理论建立介观尺度多相材料动态强化模型；最后，构建介观尺度薄板成形性能评价方法，研究工艺参数对微冲压成形过程的影响规律，结合稳健性设计方法，实现介观尺度多相金属薄板成形性能控制。为微细结构零件的大批量、高效率制造提供理论基础。

项目以介观尺度下多相微观组织非均匀性为研究切入点，基于多相微观组织介观尺度变形原位观测，采用PIM方法建立多相组微观组织变形场模型；基于位错理论为基础，结合微观组织非均匀特性，建立多相金属材料混合硬化准则；研究微观组织背应力变化规律，基于连续介质力学构建多相材料本构关系；构建成形失效因子，研究多尺度多相材料成形极限变化规律，研究工艺参数对多相材料失效因子的影响规律，结合稳健性设计方法，实现对介观尺度金属薄板成形过程工艺参数优化配置。.（1）多相组微观组织介观尺度变形场模型。以DP800为研究对象，搭建原位观测平台，基于PIM计算方法的M、F应变，建立各相与材料宏观应变之间的关系，结合等功原理以及正交流动法则，建立微观组织应变场模型。.（2）多相金属材料介观尺度混合硬化准则。基于纳米压痕实验研究软硬相之间的相互作用；基于M-K位错模型，构建各相组织的硬化方程；基于等功原理及微观组织变性特征，建立多相金属材料介观混合硬化准则；研究微观组织晶粒尺寸、含量以及材料的强度级别的变化对材料硬化特性的影响规律；基于表面层理论，研究几何尺寸效应对材料硬化性能的影响规律；考虑应变梯度对材料微观组织非均匀性影响，研究几何必需位错以及晶粒尺寸非均匀分布对材料非均匀硬化的影响规律。.（3）多相金属材料介观尺度动态强化本构模型。构建多相混合准则构建背应力模型，结合多相金属材料介观混合硬化准则以及Hill48屈服方程,基于经典连续介质力学理论，考虑包氏效应，建立多相金属材料混合本构关系，并以DP590为例研究材料硬化特性、杯形件冲压性能以及U型件回弹性能。.（4）介观尺度金属薄板成形冲压成形性能研究。考虑材料局部塑性功、应力集中系数以及应力三轴度为主要参数，构建多相材料成形失效因子，研究尺寸效应对材料FLD的影响规律；通过原位拉伸中微观组织观测，研究微观组织裂纹产生机制、裂纹扩展规律；基于成形失效因子D，研究不同尺度条件下杯形件冲压过程中，材料参数、成形参数、模具几何参数对成形失效因子D影响规律；选取材料n值、模具间隙c，凹模圆角R，摩察系数 、压边力BHF为杯形件冲压成形优化参数，结合正交实验方法，构建尺寸效应下材料冲压成形工艺参数配置响应面方程，并通过优化方法实现参数优化。