基于多尺度计算的梯度混晶铁基合金结构设计

作     者：陈兵 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李达

授予年度：2018年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：材料素化 梯度混晶层状结构 有限元模拟 RVE模型 晶粒模型 

摘      要：随着船舶、铁路、汽车和建设等主要用钢行业迅猛发展,对钢材的各项要求也越来越高,如要求钢在保持较高强度的同时也具有较强的塑韧性。而通常提高钢强度的同时,一般都会损失一定的塑韧性。随着材料素化概念的提出,通过加入合金元素使材料达到一定性能的方法已不是最优的方法。在这种背景下,本文提出梯度混晶层状结构材料的设计,期望通过微观组织结构设计,设计出一种强韧性兼备的新材料。首先,本文采用ER430铁素体焊丝,在6mm厚430铁素体不锈钢板上进行堆焊。对堆焊后试样进行轧制和热处理,结合金相和拉伸试验结果,拟合出Hall-Petch强度预测公式,其中σ和k值分别为274MPa和589MPa·μm。其次,本文采用正交试验设计的方法,建立了0.5μm、2μm和8μm晶粒尺寸不同匹配的有限元模型,研究不同晶粒尺寸配合、不同调制周期和不同调制比下各模型的力学性能。采用“屈强塑积来综合评判所设计材料的综合性能,结果表明,晶粒匹配、调制比和调制周期这三个因素对屈强塑积结果的影响敏感性依次为晶粒匹配调制比调制周期;最佳晶粒尺寸匹配为0.5μm和2μm配合,总厚度为6mm时,调制周期为3,调制比为4:1,得到的梯度混晶层状结构材料性能最好,其屈服强度为978MPa,伸长率为25.2%,屈强塑积达24645.6MPa·%。同时,研究了梯度混晶层状结构的强化方式,得到的结论为细晶强化与背应力强化相结合。最后,本文对均匀尺寸和梯度混晶层状结构的晶粒模型进行了拉伸试验模拟,进一步证实该材料主要为细晶强化与背应力强化相结合的强化方式,与相关文献一致。另外,预测梯度混晶层状结构中最容易产生裂纹的地方为大小晶粒界面处,最容易发生扩展的路径为塑性应变集中区域的扩展路径,在“三明治结构中裂纹扩展被限制在小晶粒区,另外,在小晶粒区可能生成多条应变带集中区,使得材料强塑性同时提高,并预测其断裂模式为穿晶断裂。