双相不锈钢热变形本构模型与组成相变形协调性研究

摘要

双相不锈钢具有铁素体和奥氏体两相结构，因而兼有奥氏体不锈钢优良的韧性、焊接性以及铁素体不锈钢的较高耐应力腐蚀性等特点，是一种真正意义上的高性能结构材料，广泛地应用于石化、造纸和石油等工业领域。但因其组成相本构特性与变形机制存有较大差异，变形时应力、应变在两相间的分配不均匀，两相变形协调性差，进而导致材料变形过程中出现裂纹缺陷，成为双相不锈钢制造瓶颈。因此，理清双相不锈钢变形时组成相各自的本构特性，从而获得不同初始组织与变形条件下两相间的应力应变配分规律，明确两相变形协调性与初始组织以及变形条件间的关联关系，对突破双相不锈钢变形致裂敏感的技术瓶颈具有重要的工程意义，有助于双相不锈钢加工工艺的制定与新钢种的设计、研发。
　　本文采用室温拉伸、光学金相（OM）、电子背散射衍射（EBSD）、热物理模拟等方法，研究了2205双相不锈钢连铸坯不同区域的室温力学性能和热变形行为；选取变形时最易开裂的柱状晶区进行深入研究，得到了宏观流变曲线预测模型以及考虑组成相变形协调性的本构关系，并结合有限元分析计算了不同初始组织和变形条件下两相间的应力应变配分规律，讨论了双相不锈钢变形规律、开裂特征与机理，主要结果如下：
　　（1）试验钢连铸坯不同区域的性能与变形规律存有差异，柱状晶区的力学性能最差，热变形时最易开裂。
　　（2）试验钢柱状晶区材料的热变形流变应力随着变形温度的升高、应变速率的降低而减小；两相的变形机制不同，铁素体主要以动态回复为主，而奥氏体主要是动态再结晶；裂纹主要在相界处形核并沿相界或(和)铁素体相内扩展。
　　（3）考虑变形过程中摩擦以及塑性热对流变应力的影响，修正了柱状晶区材料的流变曲线，从而建立了综合考虑温度、应变速率以及应变的流变曲线预测模型。通过与实验结果对比，验证了预测模型的正确性。
　　（4）利用JMatPro软件，获得了组成相在不同条件下的流变曲线；基于摩擦、温度修正后的流变曲线，结合混合法则，得到了双相不锈钢不同热压缩条件下组成相的本构方程，明确了双相不锈钢变形过程中应力应变的配分规律。
　　（5）基于组织调控所得材料的EBSD图，建立了具有不同奥氏体组织特征的二维模型；获得了基于Voronoi图建立二维、三维多晶体模型的方法。
　　（6）考虑两相各自的本构关系，进行有限元计算。明确了两相变形协调性以及开裂（失效）的特征及相应规律，并将模拟结果与实验结果进行对比，验证了有限元模型的正确性。

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第1章 绪 论

1.1 选题背景及意义

1.2 双相不锈钢的发展及应用概况

1.3 双相不锈钢高温变形条件下的力学行为与组织变化

1.4 多相材料微观结构的有限元模拟研究

1.5 双相材料变形协调性的研究

1.6 本文的主要研究内容

第2章 试验材料和方法

2.1 试验材料

2.2 室温力学性能试验

2.3 热压缩试验

2.4 微观组织分析

2.5 微观组织有限元模拟

第3章 铸态双相不锈钢力学行为与组织分析

3.1 双相不锈钢连铸坯不同区域的组织与性能分析

3.2 双相不锈钢连铸坯柱状晶区的热加工性能

3.3 EBSD分析

3.4 流变曲线的修正及预测模型的建立

3.5本章小结

第4章 双相不锈钢中两相力学行为

4.1 基于JMatPro软件两相力学行为

4.2 基于混合法则两相力学行为

4.3 本章小结

第5章 有限元模型的建立

5.1 基于双相不锈钢微观组织二维模型的建立

5.2 Voronoi图原理与应用

5.3 Python语言及其在Abaqus二次开发中的应用

5.4 基于Voronoi方法的二维多晶建模

5.5 基于Voronoi图的三维多晶体建模

5.6 所建立的有限元模型

5.7 本章小结

第6章 双相不锈钢变形行为的有限元模拟

6.1 基于双相不锈钢真实微观组织的拉伸模拟

6.2 双相不锈钢高温压缩模拟

6.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢