对双相不锈钢微观形变行为的研究--原位实验与自洽模拟

摘要

材料内部的应力状态对构件的强度、断裂韧性和疲劳行为影响巨大，直接关系到材料的服役安全及使用寿命。对于目前在工程领域广泛应用的多相合金而言，由于其各相具有不同的热膨胀系数及机械性能，在对这类材料进行热处理或施加外力载荷的过程中，材料的应力状态呈现晶粒尺度上的不均匀分布，并导致相间应力及晶粒取向相关应力的产生。因此，随着当今数值分析和计算技术的发展，大量研究正在致力于运用先进的计算机模拟技术对材料的宏观与微观形变行为做出准确预测，从而为航空、海洋等领域用工程材料的研发提供可靠的理论依据。
　　 近年来，X射线以及中子衍射技术已经被成功地运用于对构件内部应力分布的测量。由于中子的穿透能力远远高于X射线，材料内部几个厘米深处的衍射强度可以被统计性地获得。而运用这两种实验技术表征材料微观力学行为的原理基本相同，即在某一宏观试样方向下对材料中不同晶面衍射峰的位置和宽度变化进行选择性的测量，从而计算出材料在该特征方向、测量体积内的晶格应变分布。
　　 要获得材料内部的微观应力状态，一种简单的方法是根据材料的弹塑性本构关系，将由衍射实验测得的对应于不同晶面族的点阵应变转化为该取向晶粒的微观应力，从而计算出不同取向晶粒间的交互作用力。然而，这种方法仅适用于具有各向同性力学行为的材料，分析结果受到试样晶体学织构的影响。另一种方法是利用多晶体形变微观力学模型描述材料在应力载荷作用下的微观应力演化。模型假设：多晶金属材料是由许多取向各异的晶粒构成的集合体，材料的宏观力学性能表现为该集合体包含的所有晶粒的应力与应变的体积平均。因此，利用多晶体形变模型可以对材料在承载过程中具有某种特征取向的晶粒集合体的弹塑性行为做出计算。对于模拟被广泛作为工程材料使用的多相合金而言，模型则需要在计算各个单相本身晶粒取向相关应力的同时，考虑存在于不同相的晶粒与晶粒之间（相与相之间）相互作用的影响。
　　 本论文运用原位中子衍射技术，对一种双相（奥氏体-铁素体）不锈钢在承受压缩载荷过程中各相多个晶面的晶格应变分别进行了测量。通过分析两相中晶格应变分布以及其随宏观载荷的变化，我们得知，材料中存在明显的晶粒间相互作用力。实验数据为对双相不锈钢的弹塑性各向异性研究和微观力学行为模拟提供了丰富的材料参数信息。论文还通过运用常规的机械性能测试手段对双相钢的宏观力学行为进行了表征。在以上实验基础上建立的双相合金的弹塑性自洽模型，考虑了形变前平衡于两相之间的热残余应力，材料的初始晶粒取向以及在形变过程中各相的织构演化。因此，模型可以为双相各向异性材料在承载过程中，由于不同相和不同取向晶粒的力学行为差异所引起的相间及晶粒间弹塑性交互作用做出准确预测。
　　 另外，本论文通过原位电子背散射衍射(EBSD)技术对双相不锈钢在拉伸形变下的微观结构演化与晶粒尺度的弹塑性应变进行了表征。实验表明，随着形变的进行，材料中的小角度晶界呈现特征性分布。即在某些晶界、孪晶界以及晶粒内部，小角度晶界的密度随形变量的增大而连续增加。通过使用自洽模型，我们对双相钢在拉伸载荷作用下的形变进行了模拟。根据计算得出的双相材料中存在于各相的晶粒取向相关应力以及两相相互作用力的分布及演化规律，实验结果被解释为由具有不同取向和晶体结构的晶粒在形变过程中发生了应力与应变的相互协调所致。并且，模拟得到的奥氏体和铁素体中特征取向的微观应变与实验获得的各相中不同取向晶粒的平均应变吻合得较好。
　　 本文还将自洽模型应用到对双相不锈钢冷轧织构的模拟。由于材料中各相的形变机制直接影响其形变织构，模拟结果表明，在对单个晶粒选取适当的滑移系作为形变机制以及应力/应变张量作为边界条件的前提下，模型可以较为理想地对铁素体相在轧制过程中的织构演化做出模拟。对于奥氏体相而言，只有在形变量较低，即剪切带机制还未成为该相的主要形变机制时，模型才能对其织构状态做出准确预测。另外，我们利用多晶双相自洽模型对单相奥氏体钢的冷轧织构进行了模拟。通过向低层错能面心立方金属的形变引入微观剪切带机制，模型可以实现奥氏体钢在大形变量下的冷轧织构由铜型向黄铜型的转变。

目录

文摘

英文文摘

谨献

Index of abbreviations and symbols

Chapter 1. Duplex stainless steels

1.1 Introduction to duplex stainless steels

1.2 Physical properties

1.3 Ambient temperature mechanical properties

1.3.1 Influence of element composition

1.3.2 Influence of microstructure

1.3.3 Influence of texture

1.3.4 Effect of cold work

Chapter 2. Representation and measurement of microstresses

2.1 Fundamentals for mechanical properties

2.2 Residual stress analysis

2.2.1 Macrostresses and microstresses

2.2.2 Intergranular microstresses

2.2.3 Interphase microstresses

2.3 Microstrain measurement by diffraction

2.3.1 Generalities for diffraction methods

2.3.2 Neutron Diffraction

2.4 Background, aim, and main work of the thesis

Chapter 3. Experimental

3.1 Materials

3.2 Texture measurements by X-ray diffraction

3.3 Microstructure characterization by EBSD

3.3.1 Experimental set-up and procedures

3.3.2 Experimental results and discussion

3.4 Lattice strain measurements by neutron diffraction

3.4.1 Experimental set-up and procedures

3.4.2 Experimental considerations

3.4.3 Experimental results and discussion

Chapter 4. Self-consistent modeling of heterogeneous stress in duplex steel

4.1 Typical models of deformation simulation

4.2 Self-consistent modeling of heterogeneous stress

4.2.1 Generalities for self-consistent model

4.2.2 Stress-strain behavior for single crystals

4.2.3 Stress-strain behavior for polycrystal

4.2.4 Self-consistent modelling of heterogeneous stress in two-phase materials

4.3 Model establishment

4.4 Simulations and discussion

4.4.1 Modeling of uniaxial compression

4.4.2 Modeling of uniaxial tensile

Chapter 5. Self-consistent modeling of rolling textures in duplex steel

5.1 Generalities for deformation(rolling) textures

5.1.1 Texture development in f.c.c. and b.c.c. metals

5.1.2 Texture development in multi-phase materials

5.2 Experimental results of rolling textures in duplex steel

5.3 Model establishment

5.4 Simulations and discussion

5.4.1 Simulations for duplex stainless steel

5.4.2 Simulations for low SFE f.c.c. metals

Chapter 6. Conclusions and recommendations

References

Acknowledgements

List of publications

Brief biography