CN117030513A - 一种多相钢单相本构模型测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多相钢单相本构模型测定方法，属于板材成形性能评价方法技术领域。本发明的技术方案是：根据连续刚度纳米压痕试验技术所得硬度‑位移曲线判定多相钢单相纳米压痕试验过程中是否受到相邻其他相的影响，并结合电子背散射衍射技术判定某一具体压痕的所属相；根据硬度位移曲线去除纳米压痕测试过程中的尺寸效应，得到无尺寸效应的纳米压痕‑载荷位移曲线；结合纳米压痕有限元仿真反演得到多项钢单相材料本构模型。本发明的有益效果是：可以建立起准确的多相钢微观组织与宏观力学性能的对应关系。
Description
技术领域
本发明涉及一种多相钢单相本构模型测定方法，属于板材成形性能评价方法技术领域。
背景技术
多相钢广泛应用于汽车、建筑以及能源等诸多领域。多相钢微观组织较为复杂，研究多相钢微观组织与宏观力学性能之间的关系对于提高多相钢综合性能具有重要意义。基于微观组织有限元仿真是建立多相钢微观组织与宏观性能之间定量关系最常用的方法之一。多相钢微观组织几何模型以及单相材料本构模型是影响有限元仿真精度的两个主要因素。因此准确的获取多相钢的单相本构模型至关重要。
多相钢的单相尺寸通常小于5μm，使得传统的力学性能测试方法在该变形尺度并不适用。微柱压缩试验以及纳米压痕试验是获取微、纳米尺度材料力学性能的两种主要方法。微柱压缩试验可以直接得到材料的本构模型，但在试验过程中需要制备微米级的圆柱，制样难度大、成本高。大量的试验表明通过微柱压缩得到的材料的本构模型严重决定于微柱的尺寸，且试验结果离散度较大，这一切都限制了微柱压缩试验在获取多相钢单相本构模型过程中的应用。纳米压痕试验通常被用于测定材料的弹性模量和纳米硬度，并不能直接用于测定材料的本构模型，但测试过程中纳米压痕仪记录了载荷-位移曲线，也即记录了应力与应变的对应关系，因此理论上从载荷-位移曲线获取材料本构模型是可行的。
一些公开的专利提出了通过纳米压痕试验反演计算得到材料本构模型的方法。发明专利“基于纳米压痕和有限元模拟反演标定金属材料微观本构参数的方法(CN108645704A)”提出了一种基于纳米压痕、有限元仿真以及FMOGA-II多目标优化方法反演获得金属材料本构参数的方法；发明专利“基于纳米压痕试验的焊接接头本构模型反推方法(CN 109299568 A)”提出了一种基于纳米压痕、有限元仿真以及无量纲π函数反演获得焊接接头材料本构参数的方法；发明专利“一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法(CN 109829208 A)”提出了一种基于纳米压痕载荷-位移曲线标定颗粒内微观参数的方法。发明专利“一种多相材料中各组成相微观力学性能测定方法(CN101231227A)”公开了一种多相材料组组成相的弹性模量和硬度的测试方法，并未涉及到材料本构模型，且所提出的分析方法时基于统计学的平均概念，并不能准确的测试单相材料的力学性能。
一种基于离散元法的非粘结颗粒材料宏观结构阻尼计算模拟方法(CN109829208A)”提出了一种基于纳米压痕载荷-位移曲线标定颗粒内微观参数的方法。
对以上专利进行分析，发现上述所公开的方法并不能用于多相钢单相材料本构模型的测定，主要原因如下：
(1)在进行多相钢的纳米压痕测试时，需要判定压痕所压入多相钢的具体相，而且需要确定在某一具体相压痕测试过程中并未受到周边其他相的影响，这是准确获得单相本构模型的前提。上述公开方法并不能用于判定压痕的所属相，更不能用于确定单相纳米压痕测试过程中是否受到相邻其他相的影响。
(2)众多研究表明纳米压痕测试过程中具有较强的尺寸效应，而上述公开专利均未考虑尺寸效应，将会导致反演出的材料本构参数严重失真。
发明内容
本发明目的是提供一种多相钢单相本构模型测定方法，通过硬度-位移曲线可以判断多相钢材料的单相纳米压痕测试时是否受到相邻其他相的影响，并结合电子背散射衍射技术(EBSD)准确判断某一具体压痕的所属相，从而准确获得多相钢的单相纳米压痕测试结果；基于去除纳米压痕尺寸效应的载荷-位移曲线，采用反演法可以准确的获得多相钢的单相材料本构模型参数；所获得的多相钢单相本构模型参数可以用于建立基于微观组织的多相钢本构有限元本构模型，从而建立起准确的多相钢微观组织与宏观力学性能的对应关系，有效地解决了背景技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案是：一种多相钢单相本构模型测定方法，包含以下步骤：
(1)对多相钢式样进行抛光；
(2)进行纳米压痕测试；
(3)对纳米压痕数据进行分析，剔除纳米压痕测试过程中受相邻相影响的数据点；
(4)根据EBSD测试结果进一步选择准确的单相纳米压痕测试数据；
(5)将最终优选出的纳米压痕测结果去除纳米压痕尺寸效应；
(6)去除纳米压痕测试的尺寸效应；
(7)建立纳米压痕有限元仿真模型；
(8)对多相钢单相材料本构模型进行反演求解。
所述步骤(1)中，多相钢式样抛光方式包含离子束抛光、电解抛光以及机械抛光，抛光后的表面变质层应尽量小且表面粗糙度值优于Ra0.1。
所述步骤(2)中，测试时布置压痕点阵，压痕之间的距离、最大载荷以及压痕点数由所测试多相钢微观组织确定；测试时采用连续刚度模式；纳米压痕测试时选用自相似尖压头，包含Berkovich压头、Cube corner压头、维氏压头以及圆锥压头。
所述纳米压痕测试时选用的连续刚度谐振频率高于10Hz。
所述步骤(4)中，根据EBSD测试结果判断压痕所属相时采用Band slope图以及Band contrast图。
所述步骤(5)中，将压痕-位移曲线进行变换，变换后的横坐标和纵坐标分别为1/h和H2,其中h为位移，H为纳米硬度值；对变换后的数据进行线性拟合，得到线性拟合后的斜率和截距分别为k和b，则多相钢单相材料的材料长度尺寸h*为：
所述步骤(6)中，根绝下式去除载荷-位移曲线的纳米压痕尺寸效应:
其中Pnon(h)为去除纳米压痕尺寸效应的载荷，P(h)为纳米压痕试验所得载荷，h为位移。
所述步骤(7)中，纳米压痕有限元仿真模型中的压头与纳米压痕试验中采用的压头几何形状一致，且仿真模型中压头的顶尖圆角半径与试验用压头保持一致.
所述步骤(8)中，建立单相材料本构模型反演求解流程，对本构模型参数进行优化求解。优化求解的目标为基于反演所求的单相材料本构模型进行步骤(7)所示纳米压痕仿真，所得载荷-位移曲线与Pnon(h)具有较高重合度；单相材料本构模型反演求解时基于Isight以及基于Matlab和Pathy自主编写的优化程序。
本发明的有益效果是：通过硬度-位移曲线可以判断多相钢材料的单相纳米压痕测试时受否受到相邻其他相的影响，并结合电子背散射衍射技术(EBSD)准确判断某一具体压痕的所属相，从而准确获得多相钢的单相纳米压痕测试结果；基于去除纳米压痕尺寸效应的载荷-位移曲线，采用反演法可以准确的获得多相钢的单相材料本构模型参数；所获得的多相钢单相本构模型参数可以用于建立基于微观组织的多相钢本构有限元本构模型，从而建立起准确的多相钢微观组织与宏观力学性能的对应关系。
附图说明
图1为本发明实施例多相钢纳米压痕测试区域EBSD测试结果(Band slope)图；
图2为本发明实施例DP1180钢的RVE模型图；
图3为本发明实施例拟合材料尺寸长度结果图；
图4为本发明实施例去除压痕尺寸效应前后载荷-位移曲线对比图；
图5为本发明实施例基于Isight建立的多相钢单相材料本构模型反演流程图；
图6为本发明的工作流程图。
具体实施方式
为了使发明实施案例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施案例中的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行清晰的、完整的描述，显然，所表述的实施案例是本发明一小部分实施案例，而不是全部的实施案例，基于本发明中的实施案例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护范围。
一种多相钢单相本构模型测定方法，包含以下步骤：
(1)对多相钢式样进行抛光；
(2)进行纳米压痕测试；
(3)对纳米压痕数据进行分析，剔除纳米压痕测试过程中受相邻相影响的数据点；
(4)根据EBSD测试结果进一步选择准确的单相纳米压痕测试数据；
(5)将最终优选出的纳米压痕测结果去除纳米压痕尺寸效应；
(6)去除纳米压痕测试的尺寸效应；
(7)建立纳米压痕有限元仿真模型；
(8)对多相钢单相材料本构模型进行反演求解。
所述步骤(1)中，多相钢式样抛光方式包含离子束抛光、电解抛光以及机械抛光，抛光后的表面变质层应尽量小且表面粗糙度值优于Ra0.1。
所述步骤(2)中，测试时布置压痕点阵，压痕之间的距离、最大载荷以及压痕点数由所测试多相钢微观组织确定；测试时采用连续刚度模式；纳米压痕测试时选用自相似尖压头，包含Berkovich压头、Cube corner压头、维氏压头以及圆锥压头。
所述纳米压痕测试时选用的连续刚度谐振频率高于10Hz。
所述步骤(4)中，根据EBSD测试结果判断压痕所属相时采用Band slope图以及Band contrast图。
所述步骤(5)中，将压痕-位移曲线进行变换，变换后的横坐标和纵坐标分别为1/h和H2,其中h为位移，H为纳米硬度值；对变换后的数据进行线性拟合，得到线性拟合后的斜率和截距分别为k和b，则多相钢单相材料的材料长度尺寸h*为：
所述步骤(6)中，根绝下式去除载荷-位移曲线的纳米压痕尺寸效应:
其中Pnon(h)为去除纳米压痕尺寸效应的载荷，P(h)为纳米压痕试验所得载荷，h为位移。
所述步骤(7)中，纳米压痕有限元仿真模型中的压头与纳米压痕试验中采用的压头几何形状一致，且仿真模型中压头的顶尖圆角半径与试验用压头保持一致.
所述步骤(8)中，建立单相材料本构模型反演求解流程，对本构模型参数进行优化求解。优化求解的目标为基于反演所求的单相材料本构模型进行步骤(7)所示纳米压痕仿真，所得载荷-位移曲线与Pnon(h)具有较高重合度；单相材料本构模型反演求解时基于Isight以及基于Matlab和Pathy自主编写的优化程序。
在实际应用中，首先根据连续刚度纳米压痕试验技术所得硬度-位移曲线判定多相钢单相纳米压痕试验过程中是否受到相邻其他相的影响，并结合电子背散射衍射技术(EBSD)判定某一具体压痕的所属相。然后根据硬度位移曲线去除纳米压痕测试过程中的尺寸效应，得到无尺寸效应的纳米压痕-载荷位移曲线。最后结合纳米压痕有限元仿真反演得到多项钢单相材料本构模型。
实施例：
所涉及的多相钢为Q&P980钢，具体方法步骤如下：
步骤1、采用离子束对Q&P980钢样品进行抛光，抛光后表面无机械残余应力且表面粗糙度优于Ra0.05。
步骤2、进行纳米压痕测试，测试时采用Berkovich压头。采用原子力显微镜对压头形貌进行测量，压头顶尖圆弧半径为55nm。纳米压痕测试时布置10×8的压痕点阵分布，共80个压痕测试点，压痕间距为2μm。纳米压痕深度设置为150nm，应变率设为0.001s-1。测试时采用连续刚度模式，谐振频率设为75Hz。
步骤3、纳米压痕测试完成后，对所有纳米压痕测试点的硬度-位移曲线进行数据分析，挑选出随着压痕深度增加，硬度值平稳渐变，逐渐减小，最后趋于稳定的数据。其余数据被认定为测试过程中受相邻相影响。
步骤4、对纳米压痕测试区域进行EBSD测试，如图1，根据EBSD测试结果的Bandslope图进一步排除步骤3所选数据中对应的压痕同时压入铁素体和马氏体的压痕，并判断剩余压痕的所属相，最终挑选出的典型铁素体的硬度-位移曲线如图2。
步骤5、对所选铁素体压痕的硬度-位移曲线进行坐标变换后，对H2～1/h进行线性拟合，拟合结果如图3所示，得到该压痕的材料尺寸长度h*为126.41nm。
步骤6、根据所求h*的值，去除所选铁素体压痕对应的载荷-位移曲线的压痕尺寸效应，去除压痕尺寸效应前后的载荷-位移曲线对比如图4所示。
步骤7、基于Abaqus有限元软件，建立纳米压痕有限元仿真，其中Berkovich压头顶尖圆弧半径与试验采用的压头顶尖圆弧半径保持一致设为55nm。
步骤8、基于Isight软件建立铁素体本构模型参数反演计算流程，如图5所示。该流程为一优化计算过程，以图4中去除纳米压痕尺寸效应后的铁素体载荷-位移曲线作为优化目标。其中计算流程中Abaqus模块的主要功能是调用Abauqs运行给定本构模型的纳米压痕仿真，其输入量为工件材料本构模型，输出量为载荷-位移曲线。在Abaqus中铁素体材料的本构模型以Johnson-Cook本构模型的形式定义，其表达形式为：
σy＝A+Bεp n
其中σy为流动应力，εp为等效塑性应变，A为屈服强度，B为材料常数，n为应变强化指数。Data matching模块的主要功能是奖仿真得到的载荷-位移曲线与去除压痕尺寸效应的载荷-位移曲线对比。而Optimization模块的主要功能是根据Data matching模块的对比结果不断优化铁素体本构模型参数，并将优化后的本构模型参数传递给Abaqus模块进行再次计算，以使得Abaqus计算所得纳米压痕载荷-位移曲线快速逼近试验结果。在Optimization模块选择的优化策略类型为Hooke-Jeeves,优化的目标函数Q的表达式为：
Q＝∑[Ps(h)-Pnon(h)]2
其中PS(h)、Pnon(h)分别为仿真和试验所得去除压痕尺寸效应的纳米压痕载荷，优化的目标为目标函数Q取最小值。
步骤9、优化后的铁素体材料本构模型参数A、B以及n的值分别为395Mpa、502MPa以及0.232。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
Claims (9)
1.一种多相钢单相本构模型测定方法，其特征在于包含以下步骤：
（1）对多相钢式样进行抛光；
（2）进行纳米压痕测试；
（3）对纳米压痕数据进行分析，剔除纳米压痕测试过程中受相邻相影响的数据点；
（4）根据EBSD测试结果进一步选择准确的单相纳米压痕测试数据；
（5）将最终优选出的纳米压痕测结果去除纳米压痕尺寸效应；
（6）去除纳米压痕测试的尺寸效应；
（7）建立纳米压痕有限元仿真模型；
（8）对多相钢单相材料本构模型进行反演求解。
2.根据权利要求1所述的一种多相钢单相本构模型测定方法，其特征在于：所述步骤（1）中，多相钢式样抛光方式包含离子束抛光、电解抛光以及机械抛光，抛光后的表面变质层应尽量小且表面粗糙度值优于Ra0.1。
3.根据权利要求1所述的一种多相钢单相本构模型测定方法，其特征在于：所述步骤（2）中，测试时布置压痕点阵，压痕之间的距离、最大载荷以及压痕点数由所测试多相钢微观组织确定；测试时采用连续刚度模式；纳米压痕测试时选用自相似尖压头，包含Berkovich 压头、Cube corner 压头、维氏压头以及圆锥压头。
4.根据权利要求3所述的一种多相钢单相本构模型测定方法，其特征在于：所述纳米压痕测试时选用的连续刚度谐振频率高于10Hz。
5.根据权利要求1所述的一种多相钢单相本构模型测定方法，其特征在于：所述步骤（4）中，根据EBSD测试结果判断压痕所属相时采用Band slope图以及Band contrast图。
6.根据权利要求1所述的一种多相钢单相本构模型测定方法，其特征在于：所述步骤（5）中，将压痕-位移曲线进行变换，变换后的横坐标和纵坐标分别为1/h 和H 2, 其中h为位移，H为纳米硬度值；对变换后的数据进行线性拟合，得到线性拟合后的斜率和截距分别为k 和b，则多相钢单相材料的材料长度尺寸h *为：
。
7.根据权利要求1所述的一种多相钢单相本构模型测定方法，其特征在于：所述步骤（6）中，根绝下式去除载荷-位移曲线的纳米压痕尺寸效应:
；
其中P non (h) 为去除纳米压痕尺寸效应的载荷，P(h) 为纳米压痕试验所得载荷，h为位移。
8.根据权利要求1所述的一种多相钢单相本构模型测定方法，其特征在于：所述步骤（7）中，纳米压痕有限元仿真模型中的压头与纳米压痕试验中采用的压头几何形状一致，且仿真模型中压头的顶尖圆角半径与试验用压头保持一致。
9.根据权利要求1所述的一种多相钢单相本构模型测定方法，其特征在于：所述步骤（8）中，建立单相材料本构模型反演求解流程，对本构模型参数进行优化求解。优化求解的目标为基于反演所求的单相材料本构模型进行步骤（7）所示纳米压痕仿真，所得载荷-位移曲线与P non (h) 具有较高重合度；单相材料本构模型反演求解时基于Isight以及基于Matlab和Pathy自主编写的优化程序。
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