多尺度亚结构组织对热成形钢疲劳裂纹扩展的影响规律与机理

Lath martensite, which contains multi-scale substructures, is an important constituent phase of advanced high-strength steels. However, the controlling unit for fatigue crack growth behavior and the related influence rules and mechanisms are still ambiguous, as a result, the controlling of fatigue property is difficult. Therefore, a 1500MPa hot stamping steel with lath martensite as the main microstructure is to be studied in this project. Effect and mechanism of size and interface characteristics of lath martensite substructure on fatigue crack growth behavior will be analyzed in order to determine the controlling unit for fatigue crack growth behavior. On this basis, effect and mechanism of substructure micro-orientation, dislocation pile-up and plastic zone size of crack tip on fatigue crack growth behavior will be illustrated, and the relationship between the lath martensite substructure and the path of fatigue crack propagation will be clarified. Multi-scale representative volume element (RVE) model based on real microstructure will be established to simulate and analyze the stress-strain distribution mechanism and the evolution of damage accumulation in the plastic zone of fatigue crack tip to further clarify the effect and mechanism of substructure on the fatigue crack propagation behavior. The completion of this project will provide scientific theoretical basis for the design and development, improvement of fatigue performance, safe and reliable use, failure analysis and prevention of advanced high strength steel.

板条马氏体包含多尺度亚结构组织，是先进高强钢的重要组成相，但是其疲劳裂纹扩展的组织控制单元及相关影响规律与机理仍不够明确，使得其疲劳性能的调控难度较大。针对上述问题，本项目选择主要组成相为板条马氏体的1500MPa级热成形钢为研究对象，首先探讨板条马氏体亚结构组织尺寸及界面特征对疲劳裂纹扩展的影响规律与机理，并确定组织控制单元；在此基础上，阐明板条马氏体亚结构组织微取向、位错塞积和裂尖塑性区尺寸对疲劳裂纹扩展择优性的影响规律与机理，进而明确板条马氏体亚结构组织与疲劳裂纹扩展路径之间的关系；建立基于真实组织的代表体积单元（RVE）多尺度模型研究板条马氏体的疲劳裂纹扩展行为，揭示疲劳裂纹尖端塑性区的应力应变分配机制及损伤累积的演变规律，进一步阐明板条马氏体亚结构对疲劳裂纹扩展的影响规律与机理。本项目的完成将为热成形钢的设计开发、疲劳性能的改善、安全可靠使用、失效分析与预防等提供科学理论依据。

板条马氏体是汽车用先进高强钢的重要组成相之一，而疲劳失效是汽车构件服役过程中重要失效形式，危害性非常大。因此，研究板条马氏体的疲劳裂纹扩展行为是保障先进高强钢安全广泛使用的关键问题。由于板条马氏体结构复杂，包含原始奥氏体晶粒、板条束、板条块、亚板条块及板条在内的多尺度亚结构，其力学性能的组织控制单元仍存在很多争议，有关板条马氏体亚结构组织与疲劳裂纹扩展行为之间的关系以及疲劳裂纹尖端塑性区内精细组织结构的变化规律研究较为缺乏，这使得其疲劳性能的调控难度较大。.针对此问题，本项目选取以板条马氏体为主要组成相的热成形钢等作为研究对象进行深入系统的研究。通过优化热冲压工艺参数，获得亚结构组织尺寸不同的板条马氏体；在室温下完成疲劳裂纹扩展速率实验，探讨疲劳裂纹扩展速率随板条马氏体亚结构组织尺寸的变化规律，初步推断控制板条马氏体疲劳裂纹扩展行为的组织单元。通过SEM、EBSD观察表征不同扩展阶段的疲劳断口特征与裂纹扩展路径，阐明马氏体亚结构组织尺寸及微取向等对疲劳裂纹扩展行为的影响，确定具体的板条马氏体疲劳裂纹扩展行为的组织控制单元和择优扩展的影响规律与机理。研究疲劳裂纹不同扩展阶段的裂尖塑性区尺寸与马氏体亚结构组织之间的关系，揭示塑性区尺寸对疲劳裂纹扩展行为择优性的影响机理，进而明确板条马氏体亚结构组织与疲劳裂纹扩展路径之间的关系。以微观表征获得的组织晶体学特征为基础，建立代表体积单元（RVE）来反映宏观材料特性；采用基于纳米压痕试验的反推分析与数值模拟相结合的方法获得不同组织的本构参数。在数值模拟软件中完成RVE模型计算，研究疲劳裂纹尖端的应力应变分布规律。总的来说，项目发现板条块是控制疲劳裂纹扩展行为的有效亚结构。.本项目的完成为高强钢的设计开发、疲劳性能的改善、安全可靠使用、失效分析与预防等提供科学理论依据。