孪生诱发塑性(TWIP)钢最优疲劳强度判据研究

In order to understand the method to optimize the fatigue properties of materials, twinning-induced plasticity (TWIP) steels with different concentration of alloy elements, which are varied the grain size by cold roll and anneal, will be employed to test and evaluate the high cycle fatigue strength, fatigue crack propagate rate and low cycle fatigue life. The scanning electron microscope, transmission electron microscope and laser confocal microscope will be applied for observing the microscopic deformation and damage characteristics. Combined the macroscopic rules and microscopic mechanisms together, the main research tasks following three aspects: 1) verifying the transformation between slip band and shear band mechanisms and establishing the method to rapid judge this transformation; 2) verifying the consistency of deformation mechanisms' transformation between tensile and fatigue, and establishing the relationship between the deformation mechanisms and fatigue strength; 3) analyzing the effect of deformation mechanisms' transformation induced by alloying on the optimal fatigue strength criterion. Finally, through above researches, the fatigue damage mechanisms of TWIP steels will be systematically understand, and the optimal fatigue strength criterion with theoretical basis will be proposed and improved.

为了更好地认识材料疲劳性能的优化方法，本项目拟选用具有不同合金成分的孪生诱发塑性（TWIP）钢，通过冷轧与退火的方式获得不同的晶粒尺寸，分别对其拉伸及高周疲劳性能进行测试与评价。并使用扫描电镜、透射电镜与激光共聚焦显微镜观察循环变形过程中的微观变形与损伤特征。在宏观规律与微观机制相结合的基础上，完成三个方面的研究：1）明确TWIP钢拉伸变形过程中滑移带到剪切带机制的转变，建立快速判断机制转变方法；2）拉伸与疲劳变形过程中滑移带到剪切带的转变的一致性确认，并建立与疲劳强度变化规律的关系；3）分析合金成分变化引起的变形机制改变对最优疲劳强度判据的影响。最终，通过几方面的研究，系统全面地认识TWIP钢的疲劳损伤机制，发展并提出具有明确理论依据的最优疲劳强度判据。

航空、高铁、交通运输等重要行业的关键构件失效形式80%以上为疲劳断裂，因此，先进制造业用材料的抗疲劳设计具有重要的工程意义，是我国自主研发新材料的重要发展方向。然而，由于关键疲劳性能预测理论的缺失，难以从材料设计之初便针对构件服役性能进行优化，只能依赖试错的方法，大大降低了材料的研发效率。为此，本项目以TWIP钢为模型材料，开展了TWIP钢拉伸变形与损伤机制研究、TWIP钢疲劳变形与损伤机制研究、最优疲劳强度判据、疲劳强度预测模型四个方面的研究。研究结果表明，TWIP钢拉伸强度与塑性倒置曲线在真应力-应变条件下存在明显的拐点。强度高于拐点状态时，其加工硬化能力几乎为零，材料在屈服后很快出现颈缩；而低于拐点状态下，材料则仍具备一定的加工硬化能力。对于疲劳损伤过程而言，加工硬化能力是减小塑性应变局部化的一个重要参量，可以有效避免疲劳损伤的发生。因此，因此，本项目基于对拉伸变形与损伤机制的认识，提出了由强度-塑性关系快速判断最优高周疲劳强度的图解法判据。在此基础上，通过系统分析合金成分、微观组织、缺陷状态几类因素对材料疲劳强度的影响规律，并进行了包括多种钢铁材料在内的多种工程材料疲劳强度数据与损伤机制分析。最终提出了关于屈服强度（Y）、抗拉强度（T）与疲劳强度（F）间关系的Y-T-F模型。该项成果的提出，为金属材料疲劳强度预测提供了理论方法，并为金属材料疲劳强度优化指明了方向。相关理论成果支撑了本团队开发的“中车长客轨道客车常用材料与焊接结构疲劳分析平台”软件系统的构建工作，未来在高速列车、航空、电力等重要行业中具有良好的应用前景。