相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征方法及系统

摘要

本发明公开了相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征方法及系统。该方法包括：在室温下对相变诱导塑性钢分别进行不同变形量的拉伸，得到马氏体含量‑拉伸变形量曲线；在第二预设温度下对相变诱导塑性钢进行不同变形量的预变形；第二预设温度为大于或等于临界变形温度的温度值；在室温下对各预变形后的相变诱导塑性钢分别进行二次拉伸，得到二次拉伸工程应力应变曲线；确定各二次拉伸工程应力应变曲线对应的后继屈服应力；确定马氏体相变致强度增量；由马氏体相变致强度增量和马氏体含量‑拉伸变形量曲线，建立强度增量预测模型，以实现对马氏体相变致强度增量的量化表征。本发明解决了相变诱导塑性效应致强度增量的量化表征问题。

说明书

技术领域

本发明涉及力学性能技术领域，特别是涉及一种相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征方法及系统。

背景技术

随着科技的发展和社会的进步，传统的奥氏体钢已不能满足人们对于结构件高强度-高塑性的需求，因此，相变诱导塑性(Transformation Induce Plasticity，TRIP)钢应运而生。TRIP钢是通过相变诱导塑性(TRIP)效应而使钢板中残余奥氏体在塑性变形作用下诱发马氏体形核。TRIP效应发生在材料进行塑性变形的同时，是亚稳态奥氏体向马氏体转变的宏观表象。这种伴随着局部塑性应变的相变在一方面使得材料变硬，增强其强度；在另一方面，局部的硬化导致变形向其他较软区转移，从而推迟了颈缩得到形成，增强材料的塑性。

目前，对于TRIP钢的研制缺少明确的参考依据，例如，不同程度的TRIP效应可产生多少强度增量，或者材料不产生马氏体转变，不存在TRIP效应时的原始强度有多大等问题，始终没有明确，导致对于TRIP钢而言，存在TRIP效应致强度增量的量化表征问题。

发明内容

基于此，有必要提供一种相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征方法及系统，以解决TRIP效应致强度增量的量化表征问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征方法，包括：

确定第一拉伸工程应力应变曲线；所述第一拉伸工程应力应变曲线为相变诱导塑性钢在第一预设温度下的拉伸变形量与应力的关系曲线；所述第一预设温度为室温；

在所述第一预设温度下对所述相变诱导塑性钢分别进行不同变形量的拉伸，计算在不同变形量下的马氏体转变量，得到马氏体含量-拉伸变形量曲线；

在第二预设温度下对所述相变诱导塑性钢进行不同变形量的预变形；所述预变形为对所述相变诱导塑性钢进行拉伸后，卸载拉伸力，使拉伸后的相变诱导塑性处于零载荷状态；所述第二预设温度为大于或等于临界变形温度的温度值；所述临界变形温度为所述相变诱导塑性钢在单向拉伸过程中发生马氏体转变的临界变形温度；

在所述室温下对各预变形后的相变诱导塑性钢分别进行二次拉伸，得到各预变形对应的二次拉伸工程应力应变曲线；所述二次拉伸工程应力应变曲线为所述相变诱导塑性钢在二次拉伸中变形量与对应应力的关系曲线；

确定各所述二次拉伸工程应力应变曲线对应的后继屈服应力；所述后继屈服应力为所述二次拉伸工程应力应变曲线中突变点对应的应力；

依据所述后继屈服应力和所述第一拉伸工程应力应变曲线，确定马氏体相变致强度增量；

依据所述马氏体相变致强度增量和所述马氏体含量-拉伸变形量曲线，建立强度增量预测模型，以实现对所述相变诱导塑性钢中的马氏体相变致强度增量的量化表征；所述强度增量预测模型表示所述马氏体相变致强度增量与所述马氏体转变量的对应关系。

可选的，所述依据所述后继屈服应力和所述第一拉伸工程应力应变曲线，确定马氏体相变致强度增量，具体包括：

计算所述后继屈服应力与对应应变的室温应力值的差值；所述对应应变的室温应力值为所述第一拉伸应力应变曲线中对应拉伸变形量下的应力值；所述对应拉伸变形量为所述第一拉伸应力应变曲线中与所述后继屈服应力对应的预变形的变形量相同的拉伸变形量；

将所述差值确定为马氏体相变致强度增量。

可选的，所述强度增量预测模型为

其中，Δσ_M表示马氏体相变致强度增量，V_M表示马氏体转变量。

可选的，所述临界变形温度是通过对所述相变诱导塑性钢进行高温拉伸试验得到的。

可选的，所述室温为20℃或25℃；所述临界变形温度为60℃。

本发明还提供了相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征系统，包括：

第一曲线确定模块，用于确定第一拉伸工程应力应变曲线；所述第一拉伸工程应力应变曲线为相变诱导塑性钢在第一预设温度下的拉伸变形量与应力的关系曲线；所述第一预设温度为室温；

第二曲线确定模块，用于在所述第一预设温度下对所述相变诱导塑性钢分别进行不同变形量的拉伸，计算在不同变形量下的马氏体转变量，得到马氏体含量-拉伸变形量曲线；

预变形模块，用于在第二预设温度下对所述相变诱导塑性钢进行不同变形量的预变形；所述预变形为对所述相变诱导塑性钢进行拉伸后，卸载拉伸力，使拉伸后的相变诱导塑性处于零载荷状态；所述第二预设温度为大于或等于临界变形温度的温度值；所述临界变形温度为所述相变诱导塑性钢在单向拉伸过程中发生马氏体转变的临界变形温度；

二次拉伸模块，用于在所述室温下对各预变形后的相变诱导塑性钢分别进行二次拉伸，得到各预变形对应的二次拉伸工程应力应变曲线；所述二次拉伸工程应力应变曲线为所述相变诱导塑性钢在二次拉伸中变形量与对应应力的关系曲线；

后继屈服应力确定模块，用于确定各所述二次拉伸工程应力应变曲线对应的后继屈服应力；所述后继屈服应力为所述二次拉伸工程应力应变曲线中突变点对应的应力；

强度增量确定模块，用于依据所述后继屈服应力和所述第一拉伸工程应力应变曲线，确定马氏体相变致强度增量；

量化表征模块，用于依据所述马氏体相变致强度增量和所述马氏体含量-拉伸变形量曲线，建立强度增量预测模型，以实现对所述相变诱导塑性钢中的马氏体相变致强度增量的量化表征；所述强度增量预测模型表示所述马氏体相变致强度增量与所述马氏体转变量的对应关系。

可选的，所述强度增量确定模块，具体包括：

差值计算单元，用于计算所述后继屈服应力与对应应变的室温应力值的差值；所述对应应变的室温应力值为所述第一拉伸应力应变曲线中对应拉伸变形量下的应力值；所述对应拉伸变形量为所述第一拉伸应力应变曲线中与所述后继屈服应力对应的预变形的变形量相同的拉伸变形量；

强度增量确定单元，用于将所述差值确定为马氏体相变致强度增量。

可选的，所述强度增量预测模型为

其中，Δσ_M表示马氏体相变致强度增量，V_M表示马氏体转变量。

可选的，所述临界变形温度是通过对所述相变诱导塑性钢进行高温拉伸试验得到的。

可选的，所述室温为20℃或25℃；所述临界变形温度为60℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征方法及系统，该方法包括：在室温下对相变诱导塑性钢分别进行不同变形量的拉伸，得到马氏体含量-拉伸变形量曲线；在第二预设温度下对相变诱导塑性钢进行不同变形量的预变形；第二预设温度为大于或等于临界变形温度的温度值；在室温下对各预变形后的相变诱导塑性钢分别进行二次拉伸，得到二次拉伸工程应力应变曲线；确定各二次拉伸工程应力应变曲线对应的后继屈服应力；确定马氏体相变致强度增量；由马氏体相变致强度增量和马氏体含量-拉伸变形量曲线，建立强度增量预测模型，以实现对相变诱导塑性钢中马氏体相变致强度增量的量化表征。本发明解决了相变诱导塑性效应致强度增量的量化表征问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征方法的流程图；

图2为本发明实施例2相变诱导塑性钢的高温拉伸工程应力应变曲线图；

图3为本发明实施例2室温下马氏体含量-拉伸变形量曲线图；

图4为本发明实施例2室温下预变形-二次加载试验的工程应力应变曲线图；

图5为本发明实施例2特殊拉伸试验的流程示意图；

图6为本发明实施例2特殊拉伸试验的工程应力应变曲线图；

图7为本发明实施例2相变诱导塑性钢中马氏体相变致强度增量的计算原理、塑性硬化与相变硬化的分离原理图；

图8为本发明实施例2马氏体相变致强度增量与马氏体转变量的关系曲线图；

图9为本发明实施例3相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例1相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征方法的流程图。

参见图1，实施例的相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征方法，包括：

步骤S1：确定第一拉伸工程应力应变曲线。

所述第一拉伸工程应力应变曲线为相变诱导塑性钢在第一预设温度下的拉伸变形量与应力的关系曲线；所述第一预设温度为室温。所述室温为20℃或25℃。

步骤S2：在所述第一预设温度下对所述相变诱导塑性钢分别进行不同变形量的拉伸，计算在不同变形量下的马氏体转变量，得到马氏体含量-拉伸变形量曲线。

步骤S3：在第二预设温度下对所述相变诱导塑性钢进行不同变形量的预变形。

所述预变形是为了让所述相变诱导塑性钢产生塑性变形，而当卸载拉伸力后，所述相变诱导塑性钢处于平衡状态，在宏观上表现为零载荷；所述第二预设温度为大于或等于临界变形温度的温度值；所述临界变形温度为所述相变诱导塑性钢在单向拉伸过程中发生马氏体转变的临界变形温度；所述临界变形温度是通过对所述相变诱导塑性钢进行高温拉伸试验得到的。当变形温度低于临界变形温度时，材料发生不同程度的TRIP效应(马氏体相变导致的应力值二次上升)，而变形温度高于临界变形温度后，材料TRIP效应消失，此时无相变产生。本实施例中，所述临界变形温度为60℃。

步骤S4：在所述室温下对各预变形后的相变诱导塑性钢分别进行二次拉伸，得到各预变形对应的二次拉伸工程应力应变曲线。

所述二次拉伸工程应力应变曲线为所述相变诱导塑性钢在二次拉伸中变形量与对应应力的关系曲线。

步骤S5：确定各所述二次拉伸工程应力应变曲线对应的后继屈服应力。

所述后继屈服应力为所述二次拉伸工程应力应变曲线中突变点对应的应力。所述突变点对应的变形量为预变形的变形量。

步骤S6：依据所述后继屈服应力和所述第一拉伸工程应力应变曲线，确定马氏体相变致强度增量。

所述步骤S6，具体包括：

计算所述后继屈服应力与对应应变的室温应力值的差值；所述对应应变的室温应力值为所述第一拉伸应力应变曲线中对应拉伸变形量下的应力值；所述对应拉伸变形量为所述第一拉伸应力应变曲线中与所述后继屈服应力对应的预变形的变形量相同的拉伸变形量；将所述差值确定为马氏体相变致强度增量。

步骤S7：依据所述马氏体相变致强度增量和所述马氏体含量-拉伸变形量曲线，建立强度增量预测模型，以实现对所述相变诱导塑性钢中的马氏体相变致强度增量的量化表征。

所述强度增量预测模型表示所述马氏体相变致强度增量与所述马氏体转变量的对应关系。所述强度增量预测模型为

其中，Δσ_M表示马氏体相变致强度增量，V_M表示马氏体转变量。

本实施例的相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征方法，实现了对相变诱导塑性钢中马氏体相变致强度增量的量化表征。

下面提供了一个更为具体的实施例。

实施例2：

①探索M_d值。M_d值为相变诱导塑性钢在单向拉伸过程中发生马氏体转变的临界变形温度，当变形温度低于此温度值时，材料发生不同程度的TRIP效应(马氏体相变导致的应力值二次上升)；而变形温度高于此温度值后，材料TRIP效应消失，此时无相变产生。这一临界值(一般不高于100℃)可通过进行一系列不同变形温度的高温拉伸试验(本实施例中应变速率均为0.001s^-1)获得，相变诱导塑性钢的高温拉伸工程应力应变曲线，如图2所示。由图2可知，本实施例的相变诱导塑性钢的临界变形温度M_d为60℃，且由于应力值的二次上升，TRIP效应明显增强了材料的强度。

②马氏体转变量的测定。在室温下将相变诱导塑性钢拉伸至不同变形量(10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％和拉断)后停止试验。利用线切割在试样均匀变形段切取XRD(X射线衍射)试验样品，并进行XRD试验，测定室温拉伸不同变形量下的马氏体含量V_M，得到马氏体含量-拉伸变形量曲线图，如图3所示。

③进行室温预变形-二次加载试验。将相变诱导塑性钢拉伸至一定预变形量(变形量分为三组：0％、10％和40％)后卸载，在不拆卸试样的前提下进行二次加载(二次拉伸)，直至拉断。其中两次加载均在室温下进行。拉伸工程应力应变曲线如图4所示。由预变形0％的曲线可知，应变10％状态下，材料还未产生TRIP效应；而在应变40％时，材料已发生TRIP效应(图4中应力值的二次上升和图3中对应应变量下的马氏体含量)。同时可知，预变形虽然使二次加载曲线的走势发生了略微的改变(相对于0％预应变的曲线)，但无论预变形量的大小，预变形与二次加载曲线的塑性段均是啮合的。也就是说，第二次加载塑性变形起始点的应力值(后继屈服应力)可反映材料在对应应变下材料的强度。这是本实施例的前提之一。

④进行特殊拉伸试验。试验步骤与②中的预变形-二次加载试验类似，只是此时的预变形(预应变)在60℃(M_d)下进行，目的在于保证试样在预变形过程中不产生相变。预变形量分为8组，与②中的变形量相对应(为保证试样的均匀变形，变形量不应大于42％)，而二次加载依然在室温下进行，具体流程如图5所示。为了便于观察，本实施例只放置了三个预应变量下的拉伸曲线，如图6所示。由图6可知，室温二次加载使得整体的曲线出现一个阶梯，阶梯下端的应力值为高温预应变卸载前应力值，阶梯上端的应力值为室温二次加载时的应力值(后继屈服应力)，记为σ_E2。

⑤求解马氏体相变致强度增量Δσ_M。在步骤②的前提下，提取各高温预应变量下后继屈服应力σ_E2，并将其与室温下预应变0％的拉伸曲线放在同一坐标系下，如图7所示。由图7可知，在(预)应变量为10％和15％时，二者近乎相等。随着应变量的继续增大，二者开始产生差值，这一差值随应变量的增大而增大。结合②中马氏体含量随应变量的变化不难推断，此差值来源于马氏体相变，即此差值即为马氏体相变对强度的贡献(马氏体相变致强度增量Δσ_M)：当无相变产生(应变量10％和15％)时，此差值为0。同时也说明在无马氏体相变(TRIP效应)时，预应变无论在什么温度(室温～60℃范围内)下进行，其对后继屈服应力的影响可忽略不计；当有相变产生时，随着相变含量的增加，相变对强度的贡献Δσ_M也变大。

⑥建立Δσ_M与对应应变量下马氏体含量V_M的关系。提取步骤⑤中的Δσ_M，建立Δσ_M与V_M的关系曲线，如图8所示。Δσ_M与V_M的平方根存在双线性关系，即：

在较小马氏体转变量时：

在较大马氏体转变量时：

通过线性拟合得到：

当(即V_M＜10％)时，

当(即V_M＞10％)时，

同时，根据上述关系式和图3中室温拉断时样品均匀变形段的马氏体转变量反求出室温拉伸断曲线(预应变0％拉伸曲线)中塑性失稳时的σ_E2，同样将其绘制到图7中。

⑦提取TRIP钢塑性强化的应力应变关系。步骤⑤中提到，高温预应变量下后继屈服应力σ_E2与室温预应变0％拉伸曲线中对应应变量下应力值的差值即为马氏体相变导致的强度增量Δσ_M。因此，σ_E2即可当作相变诱导塑性钢在室温下塑性强化导致的应力。且在应变量小于15％时，相变诱导塑性钢在室温下无相变产生，其强化与TRIP效应无关，即此时的应力也为塑性强化所致。因此，连接图6中应变量小于15％时的点与各高温预应变下对应的σ_E2点，即可得到本TRIP钢中塑性强化导致的应力应变关系，如图7中的虚线所示。

本实施例中的相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征方法，提供了一种利用试验手段计算TRIP效应致强度增量的途径，建立了马氏体转变量与其对应强度增量的关系，得到了强度增量的预测模型；同时实现了TRIP钢塑性硬化与相变硬化的分离，建立了室温状态下无TRIP效应时的应力应变关系；通过此模型可以简便精确地预测TRIP效应导致的强度增量，实现TRIP钢塑性硬化与相变硬化的分离，对实现更有效地利用TRIP效应进行新产品的研发有重要意义。

实施例3：

本实施例提供了相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征系统，图9为本发明实施例3相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征系统的结构示意图。

参见图9，本实施例的相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征系统，包括：

第一曲线确定模块901，用于确定第一拉伸工程应力应变曲线；所述第一拉伸工程应力应变曲线为相变诱导塑性钢在第一预设温度下的拉伸变形量与应力的关系曲线；所述第一预设温度为室温。

第二曲线确定模块902，用于在所述第一预设温度下对所述相变诱导塑性钢分别进行不同变形量的拉伸，计算在不同变形量下的马氏体转变量，得到马氏体含量-拉伸变形量曲线。

预变形模块903，用于在第二预设温度下对所述相变诱导塑性钢进行不同变形量的预变形；所述预变形为对所述相变诱导塑性钢进行拉伸后，卸载拉伸力，使拉伸后的相变诱导塑性处于零载荷状态；所述第二预设温度为大于或等于临界变形温度的温度值；所述临界变形温度为所述相变诱导塑性钢在单向拉伸过程中发生马氏体转变的临界变形温度。

二次拉伸模块904，用于在所述室温下对各预变形后的相变诱导塑性钢分别进行二次拉伸，得到各预变形对应的二次拉伸工程应力应变曲线；所述二次拉伸工程应力应变曲线为所述相变诱导塑性钢在二次拉伸中变形量与对应应力的关系曲线。

后继屈服应力确定模块905，用于确定各所述二次拉伸工程应力应变曲线对应的后继屈服应力；所述后继屈服应力为所述二次拉伸工程应力应变曲线中突变点对应的应力。

强度增量确定模块906，用于依据所述后继屈服应力和所述第一拉伸工程应力应变曲线，确定马氏体相变致强度增量。

量化表征模块907，用于依据所述马氏体相变致强度增量和所述马氏体含量-拉伸变形量曲线，建立强度增量预测模型，以实现对所述相变诱导塑性钢中的马氏体相变致强度增量的量化表征；所述强度增量预测模型表示所述马氏体相变致强度增量与所述马氏体转变量的对应关系。

作为一种可选的实施方式，所述强度增量确定模块906，具体包括：

差值计算单元，用于计算所述后继屈服应力与对应应变的室温应力值的差值；所述对应应变的室温应力值为所述第一拉伸应力应变曲线中对应拉伸变形量下的应力值；所述对应拉伸变形量为所述第一拉伸应力应变曲线中与所述后继屈服应力对应的预变形的变形量相同的拉伸变形量；强度增量确定单元，用于将所述差值确定为马氏体相变致强度增量。

作为一种可选的实施方式，所述强度增量预测模型为

其中，Δσ_M表示马氏体相变致强度增量，V_M表示马氏体转变量。

作为一种可选的实施方式，所述临界变形温度是通过对所述相变诱导塑性钢进行高温拉伸试验得到的。

作为一种可选的实施方式，所述室温为20℃或25℃；所述临界变形温度为60℃。

本实施例的相变诱导塑性钢马氏体相变强度增量表征系统，实现了对相变诱导塑性钢中马氏体相变致强度增量的量化表征。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。