CN111653323B - 一种金属材料变形能力预估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金属材料变形能力预估方法，包括步骤：S1.对待测金属材料试样的内部晶粒取向分布图进行标定；S2.指定一个外载荷方向，从取向分布图中提取每个晶粒的取向数据，并计算每个晶粒内部主要变形机制的SF值；S3.统计每个晶粒与其相邻晶粒之间的变形协调因子；S4.根据得到的SF值和变形协调因子计算每个晶粒内滑移系的综合协调系数；S5.根据所有晶粒内滑移系的综合协调系数计算平均综合协调系数值，并把所述平均综合协调系数值作为预估金属材料在指定外载荷方向上的变形能力的指标；该方法步骤简单、耗时耗力小且预估精度高。

Description

一种金属材料变形能力预估方法
技术领域
本发明涉及材料技术领域，尤其涉及一种金属材料变形能力预估方法。
背景技术
由于金属材料的变形能力对金属制品的冲压、锻造、拉拔、挤压等加工性能具有较大的影响，因此，在选用材料时常常需要对备选材料的变形能力进行预先估算。目前对金属材料变形能力的预估方法主要有两种：试验法和平均施密特因子预估法（以下简称为SF法）。
试验法是通过标准拉、压试验获取材料在单轴应力状态下的变形曲线，冲杯试验和弯曲试验获取材料在双轴拉伸状态或拉-压双轴应力状态下的变形曲线，通过变形曲线预估在相应应力状态下的变形能力。
但由于不同材料在不同应力状态下的变形能力具有较大差异，例如，在单轴拉伸应力状态下镁合金和铝合金可以具有相同的延伸率，但在冲杯试验中，镁合金表现出的冲压性能却明显低于铝合金，原因是冲杯试验所对应的双轴拉伸应力状态下镁合金内部多种变形机制的激活被严格抑制，导致其无法提供充足的变形协调能力，在局部过早发生应变集中，从而破裂；所以，采用试验法时，需要同时进行多种标准测试，才能衡量材料在不同环境下的变形能力，不仅步骤繁琐，且耗时耗力。
SF法是计算材料在特定应力状态下的平均施密特因子(平均SF)，并用平均SF值作为衡量指标来估计材料在对应条件下的变形能力，其中施密特因子是根据施密特定律计算的。
施密特定律指出，当所施加的外载荷在材料内部特定晶面内特定滑移方向上的分切应力达到临界值时，此面上沿此方向滑移的滑移系可被激活，从而产生塑性应变，对宏观变形进行协调，材料整体也表现出发生塑性变形。此时的分切应力叫做这个滑移系的临街切分应力，其与对应载荷的比值叫施密特因子，其计算公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
为滑移方向、滑移面法向与外载荷方向的夹角。平均SF即表示对应应力状态下材料内部变形机制易被激活的程度，平均SF对滑移系的取值范围为0~0.5，对孪晶为-0.5~0.5，负值表示孪晶不可被激活。平均SF值越高，材料的变形能力一般也越强。
然而，研究表明钛合金、镁合金等密排六方金属在变形过程中，不仅存在滑移系和孪晶的激活，还存在滑移系与滑移系、滑移系与孪晶、孪晶与孪晶间的变形协调（统称为晶间变形协调行为），这种变形协调行为可以更多的缓解局部应变集中，延缓微裂纹的形核扩展，对材料的变形能力也存在较大影响。因此，一些材料的平均SF可能不高，但由于其内部晶间变形协调行为较明显，其实际变形能力同样可以较好。可见，SF法并不能很好的预估大部分金属的变形能力。
因此，需要寻求一种步骤更简单、耗时耗力更小且预估精度更高的金属材料变形能力预估方法，以助于提高测试效率的同时，降低产品开发周期和成本。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种金属材料变形能力预估方法。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种金属材料变形能力预估方法，包括步骤：
S1.对待测金属材料试样的内部晶粒取向分布图进行标定；
S2.指定一个外载荷方向，从取向分布图中提取每个晶粒的取向数据，并计算每个晶粒内部主要变形机制的SF值；
S3.统计每个晶粒与其相邻晶粒之间的变形协调因子；
S4.根据得到的SF值和变形协调因子计算每个晶粒内滑移系的综合协调系数；
S5.根据所有晶粒内滑移系的综合协调系数计算平均综合协调系数值，并把所述平均综合协调系数值作为预估金属材料在指定外载荷方向上的变形能力的指标。
所述的金属材料变形能力预估方法中，步骤S1中，依次对待测金属材料试样进行机械抛光、电解抛光后，再通过电子背散射衍射标定待测金属材料试样的内部晶粒取向分布图。
所述的金属材料变形能力预估方法中，步骤S2中，利用以下公式计算晶粒内部的SF值：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 328603DEST_PATH_IMAGE002
为滑移方向与外载荷方向的夹角，
Figure 989392DEST_PATH_IMAGE003
为滑移面法向与外载荷方向的夹角。
所述的金属材料变形能力预估方法中，若待测金属材料为面心立方金属，则其主要变形机制为{111}<10-1>滑移系。
所述的金属材料变形能力预估方法中，若待测金属材料为密排六方金属，则其主要变形机制为基面滑移和拉伸孪生。
所述的金属材料变形能力预估方法中，步骤S3中，采用以下公式计算晶粒与其相邻晶粒之间的变形协调因子：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为变形协调因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为两滑移系的滑移方向夹角，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
为两滑移系滑移面法向夹角。
进一步的，若待测金属材料的主要变形机制只有一种，则步骤S4包括步骤：
S401.根据以下公式计算晶粒与相邻任一晶粒之间的协调系数：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
为晶粒B与相邻晶粒A之间的协调系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为晶粒A和晶粒B之间的变形协调因子，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
为指定外载荷方向下晶粒A内部主要变形机制的SF值，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为指定外载荷方向下晶粒B内部主要变形机制的SF值；
S402. 计算晶粒与所有相邻晶粒之间的平均协调系数，作为晶粒内滑移系的综合协调系数。
进一步的，若待测金属材料的主要变形机制不止一种，则步骤S4包括步骤：
S403. 通过粘塑性多晶体自洽模型拟合材料的真应力应变曲线和织构演化数据，获得各种主要变形机制的临界剪切力；
S404. 根据以下公式计算晶粒与相邻任一晶粒之间的协调系数：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
代表在指定外载荷方向下主要变形机制中最容易被激活的变形机制，
Figure 288169DEST_PATH_IMAGE012
为晶粒B与相邻晶粒A之间的协调系数，
Figure 845053DEST_PATH_IMAGE013
为晶粒A和晶粒B之间的变形协调因子，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
为指定外载荷方向下晶粒A内部
Figure 49769DEST_PATH_IMAGE017
机制的SF值，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
为指定外载荷方向下晶粒B内部
Figure 451931DEST_PATH_IMAGE017
机制的SF值，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为晶粒A内
Figure 324073DEST_PATH_IMAGE017
机制被激活的临界剪切力，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
为晶粒B内
Figure 753655DEST_PATH_IMAGE017
机制被激活的临界剪切力；
S405. 计算晶粒与所有相邻晶粒之间的平均协调系数，作为晶粒内滑移系的综合协调系数。
所述的金属材料变形能力预估方法中，步骤S5中，根据以下公式计算平均综合协调系数值：
Figure DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
为平均综合协调系数值，n是待测金属材料试样中晶粒的总数，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
是第i个晶粒的综合协调系数。
有益效果：
本发明提供的一种金属材料变形能力预估方法，通过引入施密特因子和变形协调因子，综合考虑了宏观载荷和材料内部变形协调效应对材料变形能力的影响，得到一种新的指标用于预估金属材料的变形能力，与现有技术相比，步骤更简单、耗时耗力更小且预估精度更高。
附图说明
图1为本发明提供的种金属材料变形能力预估方法的流程图。
图2为实施例一中的待测金属材料试样的取向分布图标定结果。
图3为实施例一中的待测金属材料试样的真应力应变曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
下文的公开提供的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
请参阅图1，本发明提供的一种金属材料变形能力预估方法，包括步骤S1-S5。
以下对各步骤进行详述。
S1.对待测金属材料试样的内部晶粒取向分布图进行标定。
具体的，从金属板中切取一定大小（一般不小于5mm×5mm）的待测金属材料试样，依次对待测金属材料试样进行机械抛光、电解抛光后，再通过电子背散射衍射标定待测金属材料试样的内部晶粒取向分布图。
S2.指定一个外载荷方向，从取向分布图中提取每个晶粒的取向数据，并计算每个晶粒内部主要变形机制的SF（施密特因子）值。
指定的外载荷方向为所关心的变形方向，例如，金属板的宽度的拉伸方向、宽度的压缩方向、长度方向的拉伸方向、长度方向的压缩方向、厚度的压缩方向等，但不限于此。
一般地，利用以下公式计算晶粒内部的SF值：
Figure 648929DEST_PATH_IMAGE004
（1）
其中，
Figure 120362DEST_PATH_IMAGE002
为滑移方向与外载荷方向的夹角，
Figure 112589DEST_PATH_IMAGE003
为滑移面法向与外载荷方向的夹角。
主要变形机制是材料的固有属性，不同的金属，其的晶粒内部主要变形机制不同；
例如，若待测金属材料为面心立方金属，则其主要变形机制为{111}<10-1>滑移系；若待测金属材料为密排六方金属，则其主要变形机制为基面滑移{0001}(11-20) 和拉伸孪生。
还有一些情况下金属的主要变形机制不止一种，例如具有强基面织构的镁合金轧制板材在板面内单轴拉伸时主要的变形机制可能是基面滑移和柱面滑移两种。
S3.统计每个晶粒与其相邻晶粒之间的变形协调因子。
采用以下公式计算晶粒与其相邻晶粒之间的变形协调因子：
Figure 276854DEST_PATH_IMAGE006
（2）
其中，
Figure 987321DEST_PATH_IMAGE007
为变形协调因子，
Figure 229821DEST_PATH_IMAGE009
为两滑移系的滑移方向夹角，
Figure 607713DEST_PATH_IMAGE010
为两滑移系滑移面法向夹角。
该变形协调因子表示的意义为：相邻晶粒间，其中一个晶粒内部滑移系的激活对相邻晶粒内部滑移系产生的分切应力大小，这种应力将会对相邻晶粒内部滑移系的开动产生协调驱动作用。
S4. 根据得到的SF值和变形协调因子计算每个晶粒内滑移系的总协调系数。
若待测金属材料的主要变形机制只有一种，则该步骤S4包括步骤S401-S402：
S401.根据以下公式计算晶粒与相邻任一晶粒之间的协调系数：
Figure 411721DEST_PATH_IMAGE011
（3）
其中，
Figure 609484DEST_PATH_IMAGE012
为晶粒B与相邻晶粒A之间的协调系数，
Figure 422719DEST_PATH_IMAGE013
为晶粒A和晶粒B之间的变形协调因子，
Figure 389538DEST_PATH_IMAGE014
为指定外载荷方向下晶粒A内部主要变形机制的SF值，
Figure 630027DEST_PATH_IMAGE015
为指定外载荷方向下晶粒B内部主要变形机制的SF值；此处采用代号A和B只是为了方便描述，并不限定是某个特定晶粒。
其中，
Figure 49507DEST_PATH_IMAGE015
表示宏观载荷对晶粒B内滑移系的驱动作用，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
表示在宏观载荷下相邻晶粒A对晶粒B的变形协调作用；
Figure 368230DEST_PATH_IMAGE012
代表了晶粒B内滑移系在变形协作用下被晶粒A激活的可能性，其值越大，则表明整个系统对晶粒B内滑移系的驱动作用越强，晶粒B中的滑移系也就越容易被激活，系统产生塑性变形协调宏观塑性流变的能力也就越强。
S402.计算晶粒与所有相邻晶粒之间的平均协调系数，作为晶粒内滑移系的综合协调系数。
平均协调系数即某晶粒与所有相邻晶粒之间的协调系数之和除以相邻晶粒的数量得到平均值。
若待测金属材料的主要变形机制不止一种，则步骤S4包括步骤403-405：
S403. 通过粘塑性多晶体自洽模型拟合材料的真应力应变曲线和织构演化数据，获得各种主要变形机制的临界剪切力；
S404. 根据以下公式计算晶粒与相邻任一晶粒之间的协调系数：
Figure 455135DEST_PATH_IMAGE016
（4）
其中，
Figure 866525DEST_PATH_IMAGE017
代表在指定外载荷方向下主要变形机制中最容易被激活的变形机制，
Figure 773301DEST_PATH_IMAGE012
为晶粒B晶粒B与相邻晶粒A之间的协调系数，
Figure 662760DEST_PATH_IMAGE013
为晶粒A和晶粒B之间的变形协调因子，
Figure 604171DEST_PATH_IMAGE018
为指定外载荷方向下晶粒A内部
Figure 452041DEST_PATH_IMAGE017
机制的SF值，
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为指定外载荷方向下晶粒B内部
Figure 580534DEST_PATH_IMAGE017
机制的SF值，
Figure 273684DEST_PATH_IMAGE020
为晶粒A内
Figure 308417DEST_PATH_IMAGE017
机制被激活的临界剪切力，
Figure 61609DEST_PATH_IMAGE021
为晶粒B内
Figure 208556DEST_PATH_IMAGE017
机制被激活的临界剪切力；
此处，由于当两种变形机制的临界切分应力存在明显差别时，例如
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE027
,则从比例角度来看，由于力的作用是相互的，A对B的协调效应显然弱于B对A的协调作用，因此需要引入临界切分应力归一化相
Figure DEST_PATH_IMAGE028
来考虑这种差异，从而可兼顾不同变形机制的协调效应。
S405. 计算晶粒与所有相邻晶粒之间的平均协调系数，作为晶粒内滑移系的综合协调系数。
S5.根据所有晶粒内滑移系的综合协调系数计算平均综合协调系数值，并把平均综合协调系数值作为预估金属材料在指定外载荷方向上的变形能力的指标。
根据以下公式计算平均综合协调系数值：
Figure 908659DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 559083DEST_PATH_IMAGE023
为平均综合协调系数值，n是待测金属材料试样中晶粒的总数，
Figure 217598DEST_PATH_IMAGE024
是第i个晶粒的综合协调系数。
把
Figure 851842DEST_PATH_IMAGE023
作为预估金属材料在指定外载荷方向上的变形能力的指标，不仅通过SF考虑了宏观载荷对材料内部变形机制的驱动作用，还考虑了材料内部变形协调效应对材料变形能力的影响，考察范围更广，指示精度更好。
对于每一个所关心的外载荷方向，可对应执行一次步骤S2-S5，以计算得到对应方向的
Figure 385329DEST_PATH_IMAGE023
值，作为预估金属材料在对应外载荷方向上的变形能力的指标。
需要说明的是，若在计算SF值时使用应力张量，则可得广义施密特因子（globalSF，GSF），把其代入公式（3）/（4）计算相应的
Figure 155839DEST_PATH_IMAGE012
值，并最终得到各种应力状态下的
Figure 985254DEST_PATH_IMAGE023
值，从而可以衡量所有应力状态下材料的变形能力，而无需进行更多的测试实验。通过用GSF值替代SF值（即引入应力张量）可使此方法可通行各种应力状态。
由上可知，该金属材料变形能力预估方法通过引入施密特因子和变形协调因子，综合考虑了宏观载荷和材料内部变形协调效应对材料变形能力的影响，得到一种新的指标用于预估金属材料的变形能力，与现有技术相比，步骤更简单、耗时耗力更小且预估精度更高。此外，通过引入临界切分应力归一化相可兼顾不同变形机制的协调效应；通过引入应力张量又使此方法可通行各种应力状态；从而使该预估方法更加科学合理，进一步提高预估精度，使使用范围更广。
以下通过实施例进行进一步说明。
实施例一
本实施例的待测金属材料试样为轧制AZ31镁合金板材。
通过步骤S1标定得到的晶粒取向分布图见图2，从图中可以看出此板材内晶粒大部分呈现出相同颜色，即其内部晶粒取向均倾向于择优取向，这是镁合金典型的基面织构取向现象。
图3为通过实验得到的试样的真应力应变曲线，其中，RDT为沿轧制方向的拉伸真应力应变曲线，RDC为沿轧制方向的压缩真应力应变曲线，TDT为沿宽度方向的拉伸真应力应变曲线，TDC为沿宽度方向的压缩真应力应变曲线，NDC为沿厚度方向的压缩真应力应变曲线；该图显示，此板材在各个方向上拉、压时的变性能力是有明显差别的，尤其是压缩时的变形能力要强于拉伸时。
下表是通过计算得到的对应
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029
值数据：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE031
通过该表可以看到，RDC、TDC和NDC下对应的
Figure 982160DEST_PATH_IMAGE029
值高于RDT和TDT下，这与图3中的结果相吻合，表明此指标具有优良的预测能力。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，其方案与本发明实质上相同。

Claims (6)

1.一种金属材料变形能力预估方法，其特征在于，包括步骤：
S1.对待测金属材料试样的内部晶粒取向分布图进行标定；
S2.指定一个外载荷方向，从取向分布图中提取每个晶粒的取向数据，并计算每个晶粒内部主要变形机制的SF值；
S3.统计每个晶粒与其相邻晶粒之间的变形协调因子；
S4.根据得到的SF值和变形协调因子计算每个晶粒内滑移系的综合协调系数；
S5.根据所有晶粒内滑移系的综合协调系数计算平均综合协调系数值，并把所述平均综合协调系数值作为预估金属材料在指定外载荷方向上的变形能力的指标；
步骤S3中，采用以下公式计算晶粒与其相邻晶粒之间的变形协调因子：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为变形协调因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为两滑移系的滑移方向夹角，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为两滑移系滑移面法向夹角；
若待测金属材料的主要变形机制只有一种，则步骤S4包括步骤：
S401.根据以下公式计算晶粒与相邻任一晶粒之间的协调系数：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
为晶粒B与相邻晶粒A之间的协调系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为晶粒A和晶粒B之间的变形协调因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为指定外载荷方向下晶粒A内部主要变形机制的SF值，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为指定外载荷方向下晶粒B内部主要变形机制的SF值；
S402. 计算晶粒与所有相邻晶粒之间的平均协调系数，作为晶粒内滑移系的综合协调系数；
若待测金属材料的主要变形机制不止一种，则步骤S4包括步骤：
S403. 通过粘塑性多晶体自洽模型拟合材料的真应力应变曲线和织构演化数据，获得各种主要变形机制的临界剪切力；
S404. 根据以下公式计算晶粒与相邻任一晶粒之间的协调系数：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
代表在指定外载荷方向下主要变形机制中最容易被激活的变形机制，
Figure 640042DEST_PATH_IMAGE010
为晶粒B与相邻晶粒A之间的协调系数，
Figure 26024DEST_PATH_IMAGE012
为晶粒A和晶粒B之间的变形协调因子，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为指定外载荷方向下晶粒A内部
Figure DEST_PATH_IMAGE019A
机制的SF值，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为指定外载荷方向下晶粒B内部
Figure DEST_PATH_IMAGE019AA
机制的SF值，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为晶粒A内
Figure DEST_PATH_IMAGE019AAA
机制被激活的临界剪切力，
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为晶粒B内
Figure DEST_PATH_IMAGE019AAAA
机制被激活的临界剪切力；
S405. 计算晶粒与所有相邻晶粒之间的平均协调系数，作为晶粒内滑移系的综合协调系数。
2.根据权利要求1所述的金属材料变形能力预估方法，其特征在于，步骤S1中，依次对待测金属材料试样进行机械抛光、电解抛光后，再通过电子背散射衍射标定待测金属材料试样的内部晶粒取向分布图。
3.根据权利要求1所述的金属材料变形能力预估方法，其特征在于，步骤S2中，利用以下公式计算晶粒内部的SF值：
Figure DEST_PATH_IMAGE029
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为滑移方向与外载荷方向的夹角，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为滑移面法向与外载荷方向的夹角。
4.根据权利要求1所述的金属材料变形能力预估方法，其特征在于，若待测金属材料为面心立方金属，则其主要变形机制为{111}<10-1>滑移系。
5.根据权利要求1所述的金属材料变形能力预估方法，其特征在于，若待测金属材料为密排六方金属，则其主要变形机制为基面滑移和拉伸孪生。
6.根据权利要求1所述的金属材料变形能力预估方法，其特征在于，步骤S5中，根据以下公式计算平均综合协调系数值：
Figure DEST_PATH_IMAGE033
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为平均综合协调系数值，n是待测金属材料试样中晶粒的总数，
Figure DEST_PATH_IMAGE036
是第i个晶粒的综合协调系数。
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