金属材料"分层"多尺度弹塑性各向异性模型及原位实验验证

Hierarchical multi-scale models for the anisotropic behavior of metals belong to one of the most important branches of computational materials science. It can be applied in the analysis of micro-mechanism for metal deformations and the prediction of macro-anisotropic behavior of metals. In the meantime, the required calculation time of this kind of model is feasible on a normal computer work station. The proposed project will use the hierarchical multi-scale model to study the fatigue induced softening/hardening mechanism in austenitic stainless steels, together with in-situ synchrotron X-ray diffraction technique. There are close relationships between various factors, including the crystallographic texture, the grain shape, the preferred orientation of banded structure (involving local strain gradients and orientation gradients) within a grain, and the softening/hardening behavior under fatigue loadings. In-situ characterization tools can help identify the material parameters used in the model and verify the prediction of the local inhomogeneity given by the model. The applicants have already obtained some preliminary results on the local orientation gradient and strain gradient neaby the banded structure in austenitic stainless steels after fatigue loadings with both models and in-situ observations. A criterion on the fatigue failue under an elastic-plastic loading from a physical point of view will be provided in this project, attribute to the new hierarchical multi-scale models for the elasto-plastic anisotropic behavior of metals.

金属材料的料"分层"多尺度模拟是当前计算材料学的一个重要方向,其可被用于多晶材料变形的微观机理分析和宏观各向异性预测。同时该模拟需要的计算时间在普通工作站实践可行。拟申请课题将针对奥氏体不锈钢在循环小塑性变形加载时表现的软化/硬化行为，结合基于同步辐射源的高能X射线原位观察，通过"分层"多尺度模型来研究疲劳导致的软化或硬化机制。晶体学初始织构、晶粒形状、晶粒内部带状组织‘择优’分布导致的局部应变/取向梯度和该软化/硬化行为密切相关。原位表征技术可以验证多尺度模型所用物理参量可靠性及其对局域不均匀性表征的可靠度。申请者已经用同步辐射原位观察、表征并模拟了奥氏体不锈钢在小塑性变形循环载荷下,部分晶粒内部带状组织以及基体的取向梯度和应变梯度。本项目拟提出一个新的基于金属物理的疲劳损伤准则,并发展新的"分层"多尺度弹塑性各向异性模型。

随着实验检测手段和数字模拟手段的进步，对金属工程材料的疲劳损伤机理有必要利用最新的手段做进一步深入研究。本课题以金属材料中疲劳损伤和微观组织、微观力学的关联机理为研究对象，结合最新的多尺度模拟（“分层”多尺度弹塑性各向异性模型）和实验表征手段(原位X射线/中子衍射，X射线计算形貌，背散射电子成像，透射电镜等)，系统研究了包括不锈钢，铝合金，钛合金、高强钢等工程材料在力学加载和疲劳服役中，(1)缺陷的演变、分布和多晶体中晶粒尺度应力的关联性；(2) 残余应变大小和卸载前应力的定量关系；(3) 残余应变和疲劳损伤导致的微孔洞分布的关联性；(4) 残余应变和代表损伤的典型组织(晶内滑移带)的关联性;(5) 疲劳损伤在不同阶段的力学行为；(6) 高强钢的疲劳行为和孪生、反孪生、再孪生的关联行为；(7) 多晶体变形中高应力晶粒的点阵应变特征；(8) 硬颗粒对疲劳损伤的影响；(9) 形变微观组织演变和有效层错能的关联性，等等。通过对上述行为的深刻理解，提出(a) 取向相关带状组织表征的晶内滑移带可以作为疲劳损伤的判据。(b)疲劳损伤在拉伸卸载阶段剧烈扩展，从而导致宏观试样瞬间失效发生在拉伸卸载阶段。(c) 有效层错能不仅受温度和化学成分影响，还受外力影响，从而影响对应的形变微观组织演变。上述(a)(b)两个关键发现为研究疲劳损伤提供关键的评判准则。(c)理论的提出对传统层错能概念做了新的理论更新。同时，课题组验证了中子衍射谱仪研究工程材料的疲劳损伤导致的微孔洞分布的可行性，对中子衍射在工程材料中的应用做了有益扩展。