孪生诱发塑性钢微观力学行为演化和自洽模拟

论文摘要

孪生诱发塑性钢（TWIP）同时具有高强度和高韧性,使其非常适合用作复杂几何形状的轻型汽车用钢。这是由于在塑性形变过程中产生机械孪晶所致。TWIP钢具有较低的层错能这就使得这类钢易于形成堆垛层错、形变孪晶和位错结构等。塑性形变过程中的这些点阵缺陷不仅会影响材料宏观的力学行为（如,屈服强度、拉伸强度、延伸率等）,同时也会影响材料的微观力学行为（如,晶粒旋转、微尺度应力分布等）。本论文利用透射电镜、X射线衍射以及中子原位衍射等研究方法,研究Fe-30Mn-3A1-4Si高锰钢在形变过程中的微观力学行为演化,其中包括晶粒旋转、晶间应力演化、以及塑性形变过程中孪晶与基体之间应力的配分等。并辅以微观力学自洽模拟等方法,从而解释立方晶系材料中形变导致晶间相互作用以及机械孪晶产生导致微观应力重新分布等相关机制。TEM微观组织分析结果表明,TWIP钢拉伸形变过程中,同时具有位错滑移和孪生两种塑性变形机制。初始样品中仅有极少量位错分布,经2%拉伸变形后,样品中出现高密度位错,同时在部分区域可观察到有形变孪晶产生。经30%拉伸变形后,在样品中可观察到大量密集孪晶。原位中子衍射测量TWIP钢拉伸加载过程中晶格应变演化规律的结果表明,原位加载过程中点阵应变随应力的异常变化是由孪生引起微应力重新分布所导致。在屈服点处,应力增加很少,平行拉伸方向{200}衍射面点阵应变有一个突然的增加,垂直拉伸方向{200}衍射面点阵应变随着应力的增加而增大。XRD织构测定结果表明,经冷轧退火后的初始样品中包含{011}<100>高斯织构、{112}<111>铜织构和{123}<634>S织构,最强的织构组分是高斯织构。经15%拉伸变形后,高斯织构、铜织构增强,同时有新的{110}<111>织构组分生成,S织构转变成{123}<111>织构组分。经30%拉伸变形后,铜织构、S织构和{123}<111>织构显著增强,高斯织构略有增加。利用自洽模型对单纯滑移和同时考虑滑移和孪生两种形变机制下TWIP钢拉伸变形过程中的微观力学行为和织构演化进行了模拟。结果表明,对于低层错能面心立方TWIP钢,单纯考虑滑移机制时,模拟结果不能准确表征出微观力学行为随拉伸应力的演化。而当同时考虑滑移和孪生形变机制时,模拟结果不仅能够准确表征出各晶面随应力加载的演化规律,同时捕捉到孪生启动瞬间{200}晶面点阵应变在平行拉伸方向的突然增加特征,并准确模拟了{200}晶面点阵应变在垂直拉伸方向随应力持续降低。而且,利用同时考虑滑移和孪生形变机制模型能够较为准确模拟出TWIP钢的织构组分以及织构随应力的演化规律。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 TWIP钢简介
• 1.2 TWIP钢物理性能
• 1.3 TWIP钢微观组织
• 1.4 孪生变形
• 1.4.1 孪晶
• 1.4.2 TWIP钢变形机制
• 1.5 合金元素对TWIP钢的影响
• 1.5.1 C元素的作用
• 1.5.2 Mn元素的作用
• 1.5.3 Si元素的作用
• 1.5.4 Al元素的作用
• 1.5.5 N元素的作用
• 1.6 TWIP织构
• 1.7 研究内容和意义
• 第2章 实验材料制备及实验方法
• 2.1 试样制备
• 2.2 拉伸试验
• 2.3 光学显微组织观察
• 2.4 XRD织构测定
• 2.5 TEM观察
• 2.6 中子衍射
• 第3章 实验结果及分析
• 3.1 金相组织观察
• 3.2 TEM观察
• 3.3 织构演变
• 3.4 晶格点阵应变
• 第4章 自洽模型
• 4.1 Schmid定律
• 4.2 单晶的应力应变描述
• 4.3 宏观应力应变行为
• 4.4 孪生模型
• 4.5 模型建立
• 4.6 模拟结果及讨论
• 4.6.1 宏观应力应变
• 4.6.2 点阵应变
• 第5章 织构模拟
• 5.1 模型描述
• 5.2 模拟结果和讨论
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢