晶体塑性模型的改进及其在微成形工艺研究中的应用

通过对不同微成形工艺条件下材料的塑性流动规律和尺度效应的研究，了解在这些条件下材料力学性能和细观组织演化的特点，探索微成形工艺设计的理论基础和控制微成形工件组织性能的原理和工艺；在晶体塑性理论模型中引入应变梯度和位错密度的影响，全面地描述微成形过程中的材料应力-应变关系中的尺度效应，其中包括硬化与软化效应；采用改进后的晶体塑性理论模型，更好地描述微成形过程中材料的细观组织和性能的演化，综合考虑统计存储位错密度和几何必需位错密度、位错的增殖与湮灭、晶界的影响、亚晶的形成、织构的演化等，为微成形工艺中的质量控制提供基础；建立微成形过程的多尺度模拟模型，以描述工件整体的塑性变形和多晶体材料的微结构及其演化，模型中还将引入适合于微成形的摩擦模型和破裂判断准则，提出改进的晶体塑性模型的计算方法，通过数值模拟揭示微成形过程中工件塑性流动和组织性能演化的规律，优化微成形工艺参数。

通过单向拉伸、微弯曲等实验研究了微成形中试件特征尺寸、晶粒尺寸与试件特征尺寸之比、材料的表面状态等因素影响变形抗力的尺度效应；针对晶粒尺寸与试件特征尺寸之比接近于1的条件下，经典的Hall-Petch关系式不再适用的问题，提出了综合考虑试件特征尺寸、晶粒尺寸与试件特征尺寸之比、材料的表面状态等因素的影响的流动应力模型，该模型对于晶粒尺寸与试件特征尺寸之比较小的情况具有很好的适用性；针对微弯曲等受到应变梯度硬化效应影响的微成形工艺，引入晶粒尺寸与试件特征尺寸之比对材料内禀尺寸的影响，对Nix-Gao应变梯度塑性模型进行了修正，提高了计算精度；为了方便在有限元计算中引入晶体塑性本构模型，以考虑晶粒取向分布对微成形的影响，提出了一种基于超弹性本构框架的准隐式的晶体塑性模型算法，提高了计算效率；将无网格法等方法应用于有限元商业软件，计算应变梯度，并将应变梯度硬化效应引入晶体塑性理论，建立了应变梯度晶体塑性模型，该模型可以综合考虑变形工况与晶粒方位的影响；将位错密度的影响引入晶体塑性理论，综合考虑统计存储位错密度和几何必需位错密度、位错的增殖与湮灭、晶界和位错胞的影响、织构的演化等，建立了位错密度晶体塑性模型，该模型以位错密度为内变量，可以考虑温度的影响，描述塑性成形中的硬化与软化效应；通过对晶体塑性模型的改进，能更好地描述微成形过程中的材料应力-应变关系中的尺度效应，微成形过程中位错密度、织构等细观组织和性能的演化；针对适合于微型零件的不锈钢的成形工艺，对亚稳态奥氏体不锈钢成形中马氏体相变模型进行了改进，提高了马氏体含量和流动应力曲线的预测精度；针对适合于微型零件成形的大块非晶材料在过冷液态条件下的成形工艺，引入参数对虚应力模型进行修正，显著地提高了对流动应力的计算精度；针对微弯曲、微拉深、微镦粗、微挤压等微成形工艺进行了实验研究，考察了工件尺寸、晶粒尺寸、模具尺寸等设计参数以及温度、成形速度等工艺参数对成形的影响。