CN107609223B - 一种抗拉强度1200MPa的冷轧双相钢动态变形本构模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抗拉强度为1200MPa的冷轧双相钢动态变形本构模型建立方法，包括以下步骤：1）1200MPa冷轧双相钢中高应变速率下的动态拉伸实验；2）1200MPa冷轧双相钢铁素体、马氏体晶粒尺寸及其各相体积分数的统计；3）1200MPa冷轧双相钢在中高应变速率下绝热温升的计算；4）选用包含铁素体、马氏体晶粒尺寸因素，各相体积分数因素，细晶强化效应，应变速率敏感性以及应变、应变速率、温度之间的耦合效应的新型本构模型，计算得到本构模型关系参数；5）对1200MPa冷轧双相钢在各应变速率条件下的拟合结果验证。本发明在实际应用中分析双相钢动态变形特性，为合理、正确的评估双相钢板的安全性能做出贡献。

Description

一种抗拉强度1200MPa的冷轧双相钢动态变形本构模型建立 方法

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种抗拉强度1200MPa的冷轧双相钢动态变形本构模型建立方法。

背景技术

拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法，又称抗拉试验，它是材料机械性能试验的基本方法之一，主要用于检验材料是否符合规定的标准和研究材料的性能。利用拉伸试验得到的数据可以确定材料的弹性极限、伸长率、弹性模量、比例极限、面缩率、抗拉强度、屈服点、屈服强度和其它拉伸性能指标。

在室温条件下对高强钢进行较高应变速率的动态拉伸，将带来与低应变速率不同的热力学问题，动态加载可认为是一个绝热或者准绝热过程，由于动态高速拉伸过程中的局部性和不等温性，应变能在很短的时间内不能全部扩散到大气中，从而导致局部温度升高，产生了绝热温升现象。而绝热温升效应通过减少原子间结合力、位错胞状结构的分解、降低晶界和粒子扩散所需要的能量对材料进行软化，降低了部分应变速率强化效应。

本构关系是材料变形时的应力应变关系的数学模型。目前，常用的本构关系模型有下面两种：统计本构关系和唯象本构关系。统计本构关系是建立在原子和分子模型描述的微观机制上，侧重于描述变形过程的微观组织演变，这种模型有一定的局限性，因为很难精确的描述材料的微观机制；而唯象本构关系指的是用数理统计方法或者人工神经网络所建立的应力、应变和应变速率等可以宏观测定的物理量间的关系，其中不涉及到有关原子和分子结构等微观机制，虽然这带有一定的经验性，但却更利于工程上的应用。

发明内容

为了方便评估动态条件下的性能变化，本发明提供一种抗拉强度1200MPa的冷轧双相钢动态变形本构模型建立方法，所述方法包括以下步骤：

1)通过1200MPa冷轧双相钢在动态变形条件下的拉伸实验，获得1200MPa冷轧双相钢在室温条件下的拉伸性能数据；

2)根据1200MPa冷轧双相钢金相组织照片统计出铁素体、马氏体的晶粒尺寸及其体积分数，并应用于新构建的本构模型中；

3)计算1200MPa冷轧双相钢在动态变形条件下的绝热温升；

4)确定本构模型参数；

5)验证本构模型；

进一步地，所述步骤1)中1200MPa冷轧双相钢动态拉伸实验，其应变速率分别为：1s^-1、10s^-1、100s^-1、500s^-1、1000s^-1，在Zwick HTM16020高速拉伸试验机上进行实验，最终得到1200MPa冷轧双相钢在1s^-1～1000s^-1五个应变速率条件下的应力应变曲线；

进一步地，所述步骤3)由于在较高的应变速率条件下，1200MPa冷轧双相钢会出现绝热温升现象，使材料发生一定程度的软化效应，需要对升高的温度进行计算，并带入到新构建的本构模型中；

进一步地，所述步骤4)具体为选用包含铁素体、马氏体晶粒尺寸因素，各相体积分数因素，细晶强化效应，应变速率敏感性以及应变、应变速率、温度之间的耦合效应的新型本构模型，通过软件的拟合计算得到本构模型的参数；

进一步地，所述步骤3)中的计算绝热温升的方程为：

其中ΔG为机械能向热能转变量；ρ为材料密度；c_v为定容比热；η为塑性功转变成变形热的因数；ε₁为最小真应变；ε₂为最大真应变；ε为真应变；σ为真应力，将室温设定为t_室温＝25℃，则绝热温升后的开尔文温度T＝t_室温+ΔT+273.15；

进一步地，所述步骤4)中本构模型参数确定包括：

步骤41)：BCC金属Zerilli-Armstrong模型最终方程如下面公式所示：

其中σ₀为初始屈服强度；

为应变速率；ε为有效塑性应变；C₁，C₂，C₃，C₄为材料常数；

步骤42)考虑双相钢中铁素体及马氏体的晶粒尺寸，相体积分数以及晶粒细化效应(其中D为相应相粗晶粒尺寸)，可以将模型变形为：

步骤43)：当1200MPa冷轧双相钢在动态加载条件下变形时，会发生绝热温升现象，需要考虑温度T的影响；

在较高速率拉伸时，应变速率强化效应是1200MPa冷轧双相钢强化的主要方式，需要对应变速率强化效应多项式进行二次化修正，将模型公式变为：

步骤44)：为了进一步提高新模型的拟合优度，将应变、应变速率、温度之间的耦合效应考虑其中，则模型的最终构成如下所示：

步骤45)：将实验数据带到新构建的本构模型中，利用软件拟合，求出本构模型中各个参数；

进一步地，所述本构模型验证方法如下：将本构模型得到的应力应变曲线与实验真实的应力应变曲线进行比较，引入度量模型与实验值拟合优度的指标可决系数R²，其数值越接近1表示模型拟合优度越好，进一步验证本构模型的精确程度；

本发明的有益效果如下：

1)本发明包含了从1s^-1～1000s^-1范围内5个应变速率，数量多，跨度大，使得构建的本构模型使用范围更加广泛；

2)在构建本构模型时，考虑了晶粒尺寸，相体积分数，细晶强化效应，多因素耦合效应，绝热温升以及应变速率强化效应的影响，提高了模型在各应变速率条件下拟合的准确度。

附图说明

图1是1200MPa冷轧双相钢未变形基体组织微观形貌；

图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)和图2(e)是各个应变速率实验结果与新构建的模型拟合结果比较图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为本发明的举出最佳实施例：

如图1-图2所示，本发明提供一种抗拉强度1200MPa的冷轧双相钢动态变形本构模型建立方法；具体包括以下步骤：

1)1200MPa冷轧双相钢动态变形条件下的拉伸实验:

为了获得1200MPa冷轧双相钢在动态变形条件下的拉伸性能，选择1s^-1、10s^-1、100s^-1、500s^-1、1000s^-1五个动态条件下的应变速率在Zwick HTM16020高速拉伸试验机上进行实验，实验温度为室温。

2)1200MPa冷轧双相钢铁素体、马氏体晶粒尺寸以及相体积分数统计：

将1200MPa冷轧双相钢制备成10mm×10mm小样，经过打磨抛光后，用4％硝酸酒精溶液腐蚀，得到金相组织图。白色部分为铁素体组织，灰黑色部分为马氏体组织，利用软件多次统计白色及灰黑色部分面积，计算出相体积分数，同时还可以计算出铁素体、马氏体晶粒尺寸，求取平均值。

3)1200MPa冷轧双相钢在动态变形条件下绝热温升的计算：

1200MPa冷轧双相钢在动态拉伸时，会产生绝热温升现象。升高的温度ΔT由以下公式计算：

其中ρ为材料密度，取7.8g/cm³；c_v为定容比热，取0.48J/(g·K)；η为塑性功转变成变形热的因数，取0.95；ε₁为最小真应变；ε₂为最大真应变；ε为真应变；σ为真应力；

这一项为拉伸开始到拉伸过程中某个应变的塑性功，用真应力应变曲线与坐标轴围成的面积计算。

4)本构模型参数确定：

BCC金属Zerilli-Armstrong模型最终方程如下面公式所示：

1200MPa冷轧双相钢在动态加载条件下拉伸时，考虑铁素体、马氏体晶粒尺寸，相体积分数因素，以及晶粒细化效应，应变、应变速率及温度之间的耦合效应，绝热温升以及应变速率强化效应的影响，将公式变形为：

利用得到的实验数据，并结合1stOpt软件，得到1200MPa冷轧双相钢在动态变形条件下的本构方程，方程中具体参数结果如表1所示。

表1 最终模型参数结果

5)本构模型验证：

将本构模型得到的应力应变曲线与实验真实的应力应变曲线进行比较，发现在动态变形条件下拟合效果良好。引入可决系数R²，衡量新构建的本构模型对实验值的拟合优度，其计算公式为：

在动态变形条件下，不同应变速率对应的可决系数R²值如表2所示。

表2 动态变形条件下不同应变速率对应的可决系数R²

在动态加载条件下，随着应变速率的增加，可决系数R²均在0.96以上，说明新构建的本构模型与实验值拟合效果较好。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种抗拉强度1200MPa的冷轧双相钢动态变形本构模型建立方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)通过1200MPa冷轧双相钢在动态变形条件下的拉伸实验，获得1200MPa冷轧双相钢在室温条件下的拉伸性能数据；

2)根据1200MPa冷轧双相钢金相组织照片统计出铁素体、马氏体的晶粒尺寸及其体积分数，并应用于新构建的本构模型中；

3)计算1200MPa冷轧双相钢在动态变形条件下的绝热温升；

4)确定本构模型参数；

5)验证本构模型；

所述步骤1)中1200MPa冷轧双相钢动态拉伸实验，其应变速率分别为：1s^-1、10s^-1、100s^-1、500s^-1、1000s^-1，在Zwick HTM16020高速拉伸试验机上进行实验，最终得到1200MPa冷轧双相钢在1s^-1～1000s^-1五个应变速率条件下的应力应变曲线；

所述步骤4)具体为选用包含铁素体、马氏体晶粒尺寸因素，各相体积分数因素，细晶强化效应，应变速率敏感性以及应变、应变速率、温度之间的耦合效应的新型本构模型，通过软件的拟合计算得到本构模型的参数；

所述步骤3)对升高的温度进行计算，并带入到新构建的本构模型中；计算绝热温升的方程为：

其中ΔG为机械能向热能转变量；ρ为材料密度；c_v为定容比热；η为塑性功转变成变形热的因数；ε₁为最小真应变；ε₂为最大真应变；ε为真应变；σ为真应力，将室温设定为t_室温＝25℃，则绝热温升后的开尔文温度T＝t_室温+ΔT+273.15；

所述步骤4)中本构模型参数确定包括：

步骤41)：BCC金属Zerilli-Armstrong模型最终方程如下面公式所示：

其中σ₀为初始屈服强度；

为应变速率；ε为有效塑性应变；C₁，C₂，C₃，C₄为材料常数；

步骤42)考虑双相钢中铁素体及马氏体的晶粒尺寸，相体积分数以及晶粒细化效应，将模型变形为：

其中D为相应相粗晶粒尺寸；

步骤43)：对应变速率强化效应多项式进行二次化修正，将模型公式变为：

步骤44)：将模型最终构成如下所示：

步骤45)：将实验数据带到新构建的本构模型中，利用软件拟合，求出本构模型中各个参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述本构模型验证方法如下：将本构模型得到的应力应变曲线与实验真实的应力应变曲线进行比较，引入度量模型与实验值拟合优度的指标可决系数R²，其数值越接近1表示模型拟合优度越好，进一步验证本构模型的精确程度。

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