基于多晶塑性模型的多晶体材料大变形行为研究

摘要

随着材料加工工艺的发展，金属材料塑性变形机制的研究成为当前最热的课题之一。从数值计算角度研究金属材料的大变形行为，为深入了解材料塑性变形机制奠定了基础。本文以具有FCC和HCP晶体学结构的金属材料为研究对象，利用弹粘塑性自洽（EVPSC）模型中的不同自洽模型，通过数值模拟方法，对多晶塑性模型在多晶体材料大变形行为中的作用进行了系统的研究。主要工作和研究成果如下：
　　（1）基于已有的EVPSC模型，考虑孪晶形成时引起的应力松弛，通过引入两个新参数来描述孪晶临界分解剪切应力的变化规律，建立了新的孪晶成核、扩展和生长的模型，实现了对孪晶形成过程的完整描述。
　　（2）利用Taylor模型和EVPSC模型中的多种自洽模型，对初始各向同性的OFHC铜在多种加载方式下（单轴拉伸、压缩、平面应变和简单剪切）的流变行为和微观织构演化规律进行了研究，并讨论了潜在硬化系数对织构演化预测结果的影响。从应力-应变和织构演化两方面对不同模型的表现进行了评价，结果表明相互作用刚度介于Secant（硬）和Tangent（软）模型之间的自洽模型能比Taylor模型更好地预测出FCC材料的大变形行为。
　　（3）借助于考虑弹粘塑性自洽模型的有限元计算程序，对OFHC铜在扭转大变形中的行为进行了预测。得到了应力-应变响应、Swift效应和织构演化的规律，揭示了多晶塑性模型在FCC材料扭转大变形中的作用机制，给出了初始剪切应变对扭转变形中织构演化的影响规律。研究表明对铜的扭转大变形，Tangent模型的预测结果跟其他模型有明显的差异，不建议用于FCC材料的扭转大变形行为模拟预测。
　　（4）从晶格应变角度，分析了多晶体塑性模型对标准316奥氏体不锈钢在单轴拉伸加载下的塑性变形影响，评价了不同自洽模型的预测能力；将不同模型的预测结果与中子衍射实验测得的数据对比，发现晶格应变预测结果对多晶塑性模型的选择较敏感，Tangent模型的预测结果与实验值偏离的最多，而介于“最硬”Secant模型和“最软”Tangent模型之间的自洽模型，即Affine模型和Meff模型，结果与实验值吻合得最好。
　　（5）针对具有HCP晶体学结构的镁合金 AZ31轧制板材，进行了单轴拉压实验和自由扭转大变形实验，并利用EVSPC模型，给出了变形机制相对开启量、孪晶体积分数变化和织构演化规律，分析了镁合金的塑性变形机制和力学性能，揭示了扭转过程中孪晶对Swift效应的作用。对比了孪晶与退孪晶（TDT）和主导孪晶系模型（PTR）的预测晶格应变和织构演化规律，结果表明：TDT模型的预测结果与实验观测更接近。
　　研究成果丰富了晶体塑性模型的基本理论，也为金属材料大变形行为的研究提供了重要依据。
　　该论文有图103幅，表15个，参考文献294篇。

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变量注释表

1绪论

1.1研究背景及意义（Research Significance and Background）

1.2国内外研究现状（Research Status at Home and Abroad）

1.3 本文研究内容与方法（ Main Research Subjects and Methodologies）

1.4本文的主要创新点（Main Innovations）

2多晶体弹粘塑性自洽本构模型

2.1 单晶体塑性本构模型（ Plastic Constitutive Model for Single Crystal）

2.2 多晶体塑性本构模型（ Plastic Constitutive Model for Polycrystal）

2.3孪晶模型（Twinning Model）

2.4弹粘塑性自洽模型的数值实施（EVPSC Code）

2.5本章小结（Summary）

3多晶体塑性模型对FCC材料大变形行为的影响

3.1 计算模拟参数的确定（ Determination of Parameters in Simulation）

3.2 多种加载方式下的预测结果（ Predicted Results of Various Loading Conditions）

3.3潜在硬化系数的作用（Effect of Latent Hardening Coefficient）

3.4 不同多晶塑性模型的评价（ Evaluation of Various Plastic Models for Polycrystals）

3.5本章小结（Summary）

4多晶体塑性模型对FCC材料反向扭转行为的影响

4.1 大变形扭转问题的提出和解决方法（Problem Formulation and Method of Solution）

4.2计算模型的建立（Establishment of Simulation Model）

4.3模拟计算结果（Simulation Results）

4.4 不同多晶塑性模型的评价（ Evaluation of Various Plastic Models for Polycrystals）

4.5本章小结（Summary）

5多晶体塑性模型对晶格应变预测的影响

5.1 中子衍射测量晶格应变原理及结果（ Theory of Neutron Diffraction and Experimental Results）

5.2模型参数的确定（Determination of Parameters in Simulation）

5.3晶格应变的模拟结果（Simulation Results of Lattice Strain）

5.4不同多晶塑性模型的评价（Evaluation of Various Plastic Models for Polycrystals）

5.5本章小结（Summary）

6 基于弹粘塑性自洽模型的镁合金 AZ31 的大变形行为

6.1镁合金AZ31轧制板材的单轴拉压变形（Uniaxial Compression Behaviour of Rolled MgAZ31 Sheet）

6.2 镁合金 AZ31 轧制板材自由扭转变形（ Free-end Torsion Deformation of Rolled MgAZ31 Sheet）

6.3 镁合金 AZ31 挤压棒材的晶格应变预测及两种孪晶模型对比（Predicted Lattice Strain of Extruded MgAZ31 Bar and Comparison Between Two Twinning Model）

6.4本章小结（Summary）

7结论与展望

7.1主要研究结论（Main Conclusions）

7.2研究工作展望（Prospects）

参考文献

作者简历

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