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基于纳米压痕和模拟反分析的钢滑移系参数辨识

郑红  
【摘要】:由于结构轻量化和环境保护的要求,汽车行业对先进高强钢(AHSS)如TRIP、DP和QP钢的需求越来越大。为了平衡材料的强度和加工性能,第三代AHSS成分和组织越来越复杂。目前对于第三代AHSS的力学行为和成形性能的研究尚不充分,各组成相对材料整体性能的作用机制有待进一步发掘。数值模拟是研究材料变形和力学行为的重要途径,特别是以晶体塑性为代表的多尺度模拟,广泛用于模拟预测金属材料的变形行为、各向异性、组织演化和损伤演化的等宏微观物理现象。对AHSS进行数值模拟建模的前提是掌握各组成相的力学性能和变形机制。常规的实验手段,如单向拉伸、压缩和弯曲等通常只能提供材料宏观的力学数据,难以从中区分出各组成相的力学实验数据。因此有必要寻找一个新方法,可靠地辨识先进金属材料的力学性能参数,特别是多相材料。对此,本文对纳米压痕以及晶体塑性模拟的应用进行了研究归纳。利用电子背散射衍射(EBSD)试样获得材料的晶体学信息;通过原子力显微镜(AFM)获得压痕表面的形貌信息,即压痕堆积高度和压痕形貌。对压痕过程进行晶体塑性有限元(CPFEM)模拟,比较实验与模拟中的载荷-位移曲线和压痕形貌,构建目标函数,采用遗传算法反算得到材料的细观力学参数并进行验证。利用奥氏体单相不锈钢316LN,选取合适的材料本构模型,结合纳米压痕与模拟反分析,提出了一种可以准确辨识多相钢的滑移系参数的方法。基于上述研究成果,本文从单个压痕提取的参数代入模拟,利用其他单个压痕点的晶体学信息,对比载荷-位移曲线和形貌可以得到如下结论:晶体塑性模拟以及反分析过程可以提取出纳米压痕的关键信息,是求解滑移系参数的可行方法,但仅采用载荷-位移曲线数据而求得的滑移系参数存在多组解。本文进一步考虑压痕形貌这一变形信息来优化参数辨识过程。最后,本文以双相钢DP980为验证对象,辨识其铁素体相和马氏体相的细观力学性能和晶体塑性材料参数。基于各相的纳米压痕数据,通过对比实验和模拟得到的载荷-位移曲线以及压痕形貌,所提出的反分析方法确定了铁素体相和马氏体相的力学行为。研究结果表明:对于多相先进高强钢,反分析法所辨识的材料参数可以很好地描述材料的压痕力学行为和压痕残余形貌,因此纳米压痕和模拟反分析亦可以用于辨识其他金属材料的各组成相的力学行为和材料参数。


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