CN111145842A - 一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为快速计算方法，通过晶体塑性有限元方法对多相材料中各个单一纯相的力学行为进行预测，后通过金相组织测定、比例混合的方法对多相状态下材料所表现出的宏观本构行为进行了预测。该方法可对高应变率状态下材料单一相的力学行为做出准确、快速预测，因此可适用于涉及钢、钛合金等具有较复杂相成分材料的高速加工、锻压等变形过程。该方法避免了对于同一材料，经过不同热处理后由于微观组织变化导致力学性能显著改变而需要对材料力学行为进行重新测定的过程，在工业生产实际中可显著降低成本、提高模拟和分析效率，对零件加工变形过程的计算机辅助分析和设计具有重要的意义。

Description

一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法

技术领域

本发明属于多相金属晶体材料的高速变形、加工领域，特别涉及一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法。

背景技术

本构模型是用于描述材料在所施加的边界条件下流变应力对变形状态响应的数学模型，可以反映材料的基本变形状态，对于理解材料的切削加工、锻压等变形过程，通过计算机进行辅助工艺设计具有十分重要的意义。同时，材料的微观组织对于宏观的物理力学性能也具有十分重要的影响，对于同一种材料，不同的热处理会导致产生不同的微观组织，从而使得材料所表现出的力学性能出现显著的差异。因此，在工程实际中，若材料的热处理工艺发生变化，则无法完全按照通用的材料参数对变形过程进行模拟，而若要精确获取该状态下材料的本构模型，则需要通过拉压试验实验等方法对材料进行重新标定和测量，而对于大变形、快速变形过程等要考虑应变率效应的状态，还需要开展霍普金森杆冲击试验，步骤繁琐且成本较高，因此，如何通过数值分析方法建立一种考虑材料微观组成的材料本构模型快速预测方法是目前亟待解决的问题。

目前，关于考虑微观组织的本构模型预测方面已经有学者进行了研究，尤其是考虑了材料的元素组成和晶体结构的情况下，可通过各元素含量对材料的宏观本构行为进行预测。【Rodriguez R,Gutierrez I.Mechanical behaviour of steels with mixedmicrostructures.Proceeding of TMP 2004；4:356–63.；Kadkhodapour J,Butz A,Ziaei-Rad S,Schmauder S.A micro mechanical study on failure initiation of dualphase steels under tension using single crystal plasticitymodel.International Journal of Plasticity 2011；27:1103–25.】然而，此类方法仅能考虑单相材料在准静态加载条件下的本构行为，对于高速加工、锻压等过程，常用的工程材料均具有较为复杂的相组成，且变形过程中应变率大、温度高，而应变率和温度的效应对于材料的实际本构行为会产生显著的影响。因此，必须在考虑元素和晶体结构的前提下，在建模过程中加入应变率和温度等效应的影响，并结合材料不同的相组成成分，构建更加精确的材料本构模型预测方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法，具体包括以下步骤：

步骤1)、获取目标多相金属材料的材料结构信息和基本物理参数；

步骤2)、以步骤1)中所获取的材料结构信息和基本物理参数为基础，通过基于位错密度演化机制的晶体塑性有限元方法(CPFEM)仿真获取目标多相金属材料各纯相状态下的准静态和动态的本构行为；

步骤3)、对目标多相金属材料进行热处理后通过显微观察的方式获取材料各相成分比例；

步骤4)、基于步骤2)获取的目标多相金属材料的准静态和动态的本构行为和步骤3)获取的目标材料各相成分比例，通过比例混合的方法重构得到目标多相金属材料多相状态下的本构行为。

进一步的，材料结构信息包括目标多相金属材料的相组成单元，相组成单元具体指组成目标多相金属材料的相成分。

进一步的，基本物理参数包括目标多相金属材料各个纯相状态下所具有的晶体结构和相关物理参数。

进一步的，步骤2)中通过分析目标多相金属材料的相图，确定目标多相金属材料基本组成相的元素和基本组成相的结构，针对具有不同晶体结构的材料组成相，判断变形过程中所依赖的变形机制。

进一步的，基本组成相的元素包括主体组成元素和固溶强化元素，基本组成相的结构包括体心立方、面心立方和密排六方；变形机制包括位错滑移、剪切和孪晶。

进一步的，位错滑移系的剪切滑移速率为：

其中，τ^α为滑移系α的分解切应力,v₀为位错滑移速度，b为该滑移系伯氏矢量，Q_s为位错滑移激活能，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度,p和q为数值控制参数。

进一步的，对于固溶强化元素引起的位错滑移系剪切抗：

其中，τ_sol为固溶强化引起的滑移系初始抗力，G为材料剪切模量，ξ_αα’代表滑移系α和α’间的交互作用强度,ρ_s和ρ_d分别为非极化的位错密度和极位错密度。

进一步的，对于晶体结构为面心立方的相，变形过程中易产生孪晶，计算孪晶形成的临界应力：

其中b_twin为孪晶的伯氏矢量，γ_sf为层错能。

进一步的，剪切带形成时的剪切速率：

其中

为参考剪切速率，τ^χ为分解切应力，

为剪切抗力。

进一步的，步骤4通过比例混合的方法重构得到目标多相金属材料多相状态下的本构行为：

σ(ε)＝∑f_νσ_ν(ε)

其中，σ(ε)为目标材料的宏观本构关系，f_v为相v所占比例，σ_v(ε)为纯相v的本构关系。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法，通过较强的理论依据，可直接计算并预测复杂多相材料中每个单独纯相的本构关系，尤其是高应变率状态下本构关系的变化特征，从而免除了需要通过严格控制的热处理过程获取组成相单一目标材料的繁琐，且以钢为例，部分相的纯相状态难以通过实验手段获取，同时也免除了需要通过准静态拉伸、霍普金森杆等方法测定材料应力-应变曲线的过程，极大的降低了试验成本并提高了效率；本发明通过比例混合的方式，可准确预测材料在多相状态下的应力-应变关系，同时考虑了温度和应变率效应的影响，可用于高速加工、锻压等高温、快速变形状态下的材料力学行为特征。

附图说明

图1为本发明示例中CPFEM模型对AISI4140钢不同相成分的准静态本构行为预测及传统模型表征结果的对比。

图2a为本发明示例中CPFEM模型对马氏体动态变形过程中本构行为的预测结果；图2b为本发明示例中CPFEM模型对奥氏体动态变形过程中本构行为的预测结果；图2c为本发明示例中CPFEM模型对铁素体和珠光体动态变形过程中本构行为的预测结果。

图3a为本发明示例中对完全退火AISI4140钢本构行为的预测结果；图3b为本发明示例中对空冷淬火AISI4140钢本构行为的预测结果；图3c为本发明示例中对水冷淬火AISI4140钢本构行为的预测结果。

图4a为本发明示例中准静态下退火AISI4140钢本构行为预测结果与实验数据对比；图4b为本发明示例中准静态下空冷淬火AISI4140钢本构行为预测结果与实验数据对比；图4c为本发明示例中准静态下水冷淬火AISI4140钢本构行为预测结果与实验数据对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法，具体包括以下步骤：

步骤1)、获取目标多相金属材料的材料结构信息和基本物理参数；

材料结构信息包括目标多相金属材料的相组成单元，相组成单元具体指组成目标多相金属材料的相成分；基本物理参数包括目标多相金属材料各个纯相状态下所具有的晶体结构和相关物理参数；

步骤2)、以步骤1)中所获取的材料结构信息和基本物理参数为基础，通过基于位错密度演化机制的晶体塑性有限元方法(CPFEM)仿真获取目标多相金属材料各纯相状态下的准静态和动态的本构行为；

步骤3)、对目标多相金属材料进行热处理后通过显微观察的方式获取材料各相成分比例；

步骤3)中，对目标多相金属材料进行热处理包括完全退火，空气冷却淬火和水冷却淬火；空气冷却淬火为完全退火后，加热至850℃-900℃并保温0.5-1.5小时后取出在空气中冷却至室温；水冷却淬火为完全退火后，加热至850℃-900℃并保温0.5-1.5小时后后取出在水中冷却，冷却后再加热至480℃-520℃并保温1.5-2.5小时进行调质处理。

步骤3)中，对目标多相金属材料进行热处理后依次进行金相切割、镶嵌、磨抛和腐蚀处理，然后通过显微观察的方式获取材料各相成分比例；

步骤4)、基于步骤2)获取的目标多相金属材料的准静态和动态的本构行为和步骤3)获取的目标材料各相成分比例，通过比例混合的方法重构得到目标多相金属材料多相状态下的本构行为。

进一步地，步骤2)中通过分析目标多相金属材料的相图，确定目标多相金属材料基本组成相的元素和基本组成相的结构，针对具有不同晶体结构的材料组成相，判断变形过程中所依赖的变形机制。

基本组成相的元素包括主体组成元素和固溶强化元素，基本组成相的结构包括体心立方、面心立方和密排六方；变形机制包括位错滑移和孪晶。

位错滑移系的剪切滑移速率为：

其中，τ^α为滑移系α的分解切应力,v₀为位错滑移速度，b为该滑移系伯氏矢量，Q_s为位错滑移激活能，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度,p和q为数值控制参数；

对于固溶强化元素引起的位错滑移系剪切抗：

其中，τ_sol为固溶强化引起的滑移系初始抗力，G为材料剪切模量，ξ_αα’代表滑移系α和α’间的交互作用强度,ρ_s和ρ_d分别为非极化的位错密度和极位错密度；

计算不同晶体结构形成的临界应力；对于晶体结构为面心立方的相，变形过程中易产生孪晶，计算孪晶形成的临界应力：

其中b_twin为孪晶的伯氏矢量，γ_sf为层错能；

剪切带形成时的剪切速率：

其中

为参考剪切速率，τ^χ为分解切应力，

为剪切带形成的抗力。

所述步骤4通过比例混合的方法重构得到目标多相金属材料多相状态下的本构行为：

σ(ε)＝∑f_νσ_ν(ε)

其中，σ(ε)为目标材料的宏观本构关系，f_v为相v所占比例，σ_v(ε)为纯相v的本构关系。

本发明一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为快速计算方法，以AISI4140钢为例，具体包括以下步骤：

步骤1：获取AISI4140钢的相组成单元，以及该材料各个纯相状态下所具有的晶体结构和相关物理参数，其中，AISI4140钢常见热处理状态下的相组成单元包括铁素体、珠光体、奥氏体和马氏体；

步骤2：针对AISI4140钢的相组成单元，通过CPFEM方法模拟所述各相组成单元的本构行为，CPFEM方法模拟所需参数见表1，模拟结果可见图1和图2a、图2b、图2c；

步骤3：本申请对AISI4140钢样品进行分别进行完全退火，空气冷却淬火和水冷却淬火处理获取AISI4140钢本构行为的预测结果；具体的，对AISI4140钢样品进行完全退火处理后进行AISI4140钢本构行为的金相处理观察微观组织成分；采用空气冷却淬火为完全退火后，加热至870℃并保温1小时后取出在空气中冷却至室温后进行AISI4140钢本构行为的金相处理观察微观组织成分；采用水冷却淬火为完全退火后，加热至870℃并保温1小时后取出在水中冷却，冷却后再加热至500℃并保温2小时进行调质处理后进行AISI4140钢本构行为的金相处理观察微观组织成分；热处理完成后将试样进行金相处理观察微观组织成分，其中退火试样组分主要为铁素体(85％～95％)和珠光体(5％～15％)，空冷淬火试样组织主要为铁素体(35％～45％)、珠光体(35％～45％)和马氏体(～20％)，水冷淬火试样组织主要为铁素体(10％～30％)、珠光体(30％～50％)、残余奥氏体(5％～10％)和马氏体(25％～45％)；

步骤4：结合步骤2中对AISI4140钢样品各单一相的本构行为和步骤3中测试所得的不同试样组织成分，代入公式σ(ε)＝∑f_νσ_ν(ε)对材料多相状态下的实际本构行为进行重构，重构结果如图3a、图3b、图3c所示；

步骤5：对步骤3中所述各试样，进行单轴拉伸实验获取其真实应力-应变曲线并与预测结果进行对照，如图4a、图4b、图4c所示。

表1铁素体、珠光体、奥氏体、马氏体CPFEM模拟主要参数

综上，利用本发明所提出的一种面向高速变形过程的复杂多相金属晶体材料宏观本构行为快速预测方法，可根据材料实际的微观组织成分，快速准确的获取其本构行为曲线，同时由于考虑了应变率效应的影响，可适用于高速加工、锻压等各种快速变形过程。

上述说明出示并描述了发明的若干优选实例，但如前所示，须理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离发明的精神和范围，则都应在发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1)、获取目标多相金属材料的材料结构信息和基本物理参数；

步骤2)、以步骤1)中所获取的材料结构信息和基本物理参数为基础，通过基于位错密度演化机制的晶体塑性有限元方法仿真获取目标多相金属材料各纯相状态下的准静态和动态的本构行为；

步骤3)、对目标多相金属材料进行热处理后通过显微观察的方式获取材料各相成分比例；

步骤4)、基于步骤2)获取的目标多相金属材料的准静态和动态的本构行为和步骤3)获取的目标材料各相成分比例，通过比例混合的方法重构得到目标多相金属材料多相状态下的本构行为。

2.根据权利要求1所述的一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法，其特征在于，材料结构信息包括目标多相金属材料的相组成单元，相组成单元具体指组成目标多相金属材料的相成分。

3.根据权利要求1所述的一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法，其特征在于，基本物理参数包括目标多相金属材料各个纯相状态下所具有的晶体结构和相关物理参数。

4.根据权利要求1所述的一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法，其特征在于，步骤2)中通过分析目标多相金属材料的相图，确定目标多相金属材料基本组成相的元素和基本组成相的结构，针对具有不同晶体结构的材料组成相，判断变形过程中所依赖的变形机制。

5.根据权利要求4所述的一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法，其特征在于，基本组成相的元素包括主体组成元素和固溶强化元素，基本组成相的结构包括体心立方、面心立方和密排六方；变形机制包括位错滑移、剪切和孪晶。

6.根据权利要求5所述的一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法，其特征在于，位错滑移系的剪切滑移速率为：

其中，τ^α为滑移系α的分解切应力,v₀为位错滑移速度，b为该滑移系伯氏矢量，Q_s为位错滑移激活能，k_B为玻尔兹曼常数，T为温度,p和q为数值控制参数。

7.根据权利要求5所述的一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法，其特征在于，对于固溶强化元素引起的位错滑移系剪切抗力：

其中，τ_sol为固溶强化引起的滑移系初始抗力，G为材料剪切模量，ξ_αα’代表滑移系α和α’间的交互作用强度,ρ_s和ρ_d分别为非极化的位错密度和极位错密度。

8.根据权利要求5所述的一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法，其特征在于，对于晶体结构为面心立方的相，变形过程中易产生孪晶，计算孪晶形成的临界应力：

其中b_twin为孪晶的伯氏矢量，γ_sf为层错能。

9.根据权利要求5所述的一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法，其特征在于，剪切带形成时的剪切速率：

其中

为参考剪切速率，τ^χ为分解切应力，

为剪切抗力。

10.根据权利要求1所述的一种面向高速变形过程的多相金属材料本构行为构建方法，其特征在于，步骤4通过比例混合的方法重构得到目标多相金属材料多相状态下的本构行为：

σ(ε)＝∑f_νσ_ν(ε)

其中，σ(ε)为目标材料的宏观本构关系，f_v为相v所占比例，σ_v(ε)为纯相v的本构关系。

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