TWIP钢孪生诱发塑性硬化行为研究

Opposition between the strength and ductile of high strength steels hiders the lightweight, reduction consumption, improvement safety of auto-body structure by thickness-thinning. This problem can be solved by twinning induced plasticity effect in TWIP steels, where mechanical-twinning appears in austenite and its strength and ductile are improved greatly. However, it is critical about how to describe deformation-induced twinning and twinning-induced plasticity in forming process till now..This study aims at building strain-induced twinning model and twinning-induced plasticity strain hardening behaviors. Firstly, nucleation and growth mechanism of twinning austenite are disclosed with macro-mechanical parameters (strain, stress, temperature and strain rate) based on the stacking fault energy and OC model, and deformation- induced twinning model is established. Secondly, stress-strain response and anisotropic yield function are built by multi-microstructure mixture law based on dislocation theory. Finally, FLDs controlled by twinning-induced plasticity are developed to improve the formability of this material based on the deformation-induced twining and twinning-induced plasticity strain hardening model.

高强度钢板强度与塑性之间的对立，严重阻碍其通过减薄实现车身减重、降耗、提高安全性。而TWIP钢通过"孪生诱发塑性"，使奥氏体在形变过程中产生孪晶，大幅度提升材料强化及塑性，良好协调了这一矛盾。但，TWIP钢通过形变孪生行为如何实现增塑、增强，并应用于车身制造，是目前一个亟待解决的关键问题。.本项目针对TWIP钢形变诱发孪生效应，研究孪生诱发塑性及其影响下的硬化行为。首先，基于层错能以及剪切带理论，揭示宏观力学参数（应变、应力状态、变形温度及应变速率）对奥氏体孪生形核、长大机制，建立TWIP钢形变诱发孪生模型；其次，以位错理论为基础，揭示多组织混合的孪生诱发塑性应力应变关系及各向异性屈服特性，并基于连续介质力学及非匀质材料均匀场理论建立TWIP钢弹塑性本构关系；最后，基于形变孪生模型及其硬化模型，建立孪生诱发塑性控制下TWIP钢的成形极限评价准则，并提出TWIP钢板冲压成形性能控制方法。

孪晶诱发塑性主要是指TWIP钢在塑性变形过程中奥氏体出现形变孪晶，促使材料强度提升、塑性增加、能量吸收能力上升、抑制裂纹扩展能力提高，它促使TWIP钢日渐成为一种优良的汽车减重用材。项目以TWIP钢变形过程中的孪晶诱发塑性行为为研究切入点，采用原位观测平台实现TWIP钢形变孪晶原位测试；基于层错能以及剪切带理论，建立TWIP钢形变诱发孪生模型；基于位错理论及多相混合准则，结合孪生诱发塑性特性，建立TWIP钢本构关系弹塑性本构关系；基于材料韧性断裂影响因素，构建TWIP钢成形失效因子，研究变形参数对TWIP钢成形性能的影响规律，并提出TWIP钢冲压成形工艺参数优化配置方法。.（1）TWIP钢形变孪晶原位观测实验。搭建原位拉伸测试平台，通过显微仪器对此位置进行原位观测，获取相应的微观组织原位观测结果。采用图像处理以及网格法实现TWIP钢原位拉伸过程中孪晶体积份数计算。为研究TWIP钢微观组织的变化提供实验基础。.（2）TWIP钢形变孪晶模型构建。基于合金元素、形变温升效应以及局部微应变与宏观应变的关系，结合经典层错能模型，建立塑性变形对层错能增量计算模型。基于剪切带交叉形核理论，以元素、温度、形变控制的层错能为孪晶形核控制机制，构建形变诱发孪晶模型。为研究TWIP钢宏观力学特征的变化提供微观结构变化的理论基础。.（3）TWIP钢本构关系建立。基于经典位错模型，考虑形变孪晶对位错形成的影响，构建TWIP钢应变硬化模型；基于传统的塑性增量理论，结合形变孪晶的影响，构建TWIP钢本构关系。研究Mn含量、拉伸速度以及应力状态等参数的变化对TWIP钢硬化特性的影响规律以及形变孪晶对TWIP钢硬化特性的影响机制。为TWIP钢的可成形性研究提供理论依据。.（4）TWIP钢冲压成形性能研究。以材料局部塑性功、应力集中系数以及应力三轴度为材料延性断裂的主要影响因素，构建TWIP钢成形失效因子。在基础上，研究杯形件冲压过程中，材料参数、成形参数、模具几何参数对TWIP钢的成形失效因子的影响规律。以屈服应力、极限应力/屈服应力、摩察系数、压边力、冲压速度、凹模圆角为影响因素，进行TWIP钢成形工艺参数优化配置。为TWIP钢在车身制造中广泛应用提供了工艺基础。