焊接過(guò)程材料硬化行為表征及應(yīng)力應(yīng)變演化

為了實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的精準(zhǔn)模擬，設(shè)計(jì)了多級(jí)載荷等溫循環(huán)拉壓試驗(yàn)方法，提出相對(duì)內(nèi)應(yīng)力評(píng)價(jià)材料循環(huán)載荷下的硬化行為，建立了非線(xiàn)性混合硬化模型，表征焊接過(guò)程材料的應(yīng)力應(yīng)變演化行為；基于等溫拉壓試驗(yàn)、Satoh試驗(yàn)及數(shù)值模擬，通過(guò)非線(xiàn)性混合硬化模型、等向硬化模型和隨動(dòng)硬化模型的敏感性分析，驗(yàn)證了非線(xiàn)性混合硬化模型的準(zhǔn)確性；提出了高溫非彈性應(yīng)變處理方法，建立了力學(xué)熔點(diǎn)測(cè)試方法，結(jié)合非線(xiàn)性硬化模型和力學(xué)熔點(diǎn)，建立了材料的連續(xù)體本構(gòu)模型；以Peclet系數(shù)判定熔池液態(tài)金屬的熱傳輸主導(dǎo)方式，結(jié)合焊縫熔池橫截面形貌，建立了復(fù)雜焊接熱源模型，以焊接溫度曲線(xiàn)及焊接冷卻速度，驗(yàn)證焊接熱源模型的準(zhǔn)確性；開(kāi)展了平板表面堆焊、多道焊試驗(yàn)及焊接數(shù)值模擬，計(jì)算的焊接殘余應(yīng)力與實(shí)測(cè)值比較，研究了硬化模型和力學(xué)熔點(diǎn)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證了非線(xiàn)性混合硬化模型的可靠性，上述研究?jī)?nèi)容成功地應(yīng)用于不銹鋼激光焊的數(shù)值模擬；開(kāi)展了深孔法和數(shù)字圖像相關(guān)法的研究，搭建了兩種方法的測(cè)試平臺(tái)，并且成功地應(yīng)用于焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試，為焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試提供了新的手段；基于拉達(dá)伊應(yīng)力應(yīng)變模型，考慮力學(xué)熔點(diǎn)，提出了新的焊接過(guò)程熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變演化模型。 本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了焊接過(guò)程材料力學(xué)本構(gòu)模型的精準(zhǔn)建模，提出新的焊接過(guò)程熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變演化模型，對(duì)焊接力學(xué)和數(shù)值模擬的發(fā)展及應(yīng)用具有重大的推動(dòng)作用和研究意義。 2100433B

建立合適的材料硬化模型，準(zhǔn)確表征焊接過(guò)程材料的硬化行為和應(yīng)力應(yīng)變演化過(guò)程，對(duì)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力、評(píng)估焊接結(jié)構(gòu)完整性具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本項(xiàng)目以核反應(yīng)堆壓力容器主管道焊接殘余應(yīng)力評(píng)估為背景，以316L奧氏體不銹鋼為研究對(duì)象，提出以熔池橫截面形貌、溫度曲線(xiàn)及焊接冷卻速率修正焊接熱源模型，實(shí)現(xiàn)焊接溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確模擬；改進(jìn)A-F非線(xiàn)性隨動(dòng)硬化模型，推導(dǎo)模型參數(shù)與溫度之間的關(guān)系，結(jié)合一定比例的等向硬化模型，建立一種新的非線(xiàn)性混合硬化模型；基于等溫拉伸壓縮試驗(yàn)、Satoh試驗(yàn)及316L不銹鋼表面堆焊、多道焊試驗(yàn)，驗(yàn)證非線(xiàn)性混合硬化模型的可靠性。結(jié)合焊接數(shù)值模擬和DIC動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量，基于拉達(dá)伊應(yīng)力應(yīng)變演化模型，考慮材料退火效應(yīng)，提出新的焊接過(guò)程準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變演化模型。

應(yīng)變硬化指數(shù)是指由塑性變形引起的硬度和強(qiáng)度增加的度量。通過(guò)以下等式將真應(yīng)力和真應(yīng)變聯(lián)系起來(lái)：S= F d h 其中：s代表真應(yīng)力，F(xiàn)代表單位應(yīng)變的真應(yīng)力，d代表真應(yīng)變，h代表應(yīng)變硬化指數(shù)。

為揭示梯度納米結(jié)構(gòu)金屬的應(yīng)變硬化機(jī)理，利用SAMT技術(shù)在IF鋼、304不銹鋼、AZ31鎂合金中制備了多種梯度納米結(jié)構(gòu)樣品，通過(guò)拉伸、循環(huán)應(yīng)力松弛、微結(jié)構(gòu)表征以及有限元模擬，研究了梯度納米結(jié)構(gòu)表層與粗晶基體協(xié)調(diào)變形的微觀(guān)過(guò)程、力學(xué)性能與應(yīng)變硬化規(guī)律、以及應(yīng)變硬化過(guò)程對(duì)應(yīng)的可動(dòng)位錯(cuò)形成與增殖、馬氏體相變等微結(jié)構(gòu)行為。得出以下主要結(jié)論：(1) 梯度納米結(jié)構(gòu)在拉伸過(guò)程中發(fā)生單軸向多軸的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變。粗晶基體發(fā)生屈服后，因泊松比不同而在梯度表層產(chǎn)生拉─壓、在粗晶基體形成拉─拉多軸應(yīng)力狀態(tài)；整體進(jìn)入屈服以后，梯度表層失穩(wěn)受基體抑制，表層產(chǎn)生拉─拉、而粗晶基體形成拉─壓多軸應(yīng)力狀態(tài)；(2) 梯度表層與粗晶基體在側(cè)向的協(xié)調(diào)變形使梯度納米結(jié)構(gòu)在拉伸過(guò)程中形成應(yīng)變梯度，導(dǎo)致幾何必需位錯(cuò)密度增加從而提高應(yīng)變硬化；同時(shí)應(yīng)力狀態(tài)由單軸向多軸的轉(zhuǎn)變過(guò)程使可動(dòng)位錯(cuò)密度不斷形成并增殖，進(jìn)一步提高了位錯(cuò)交互作用與應(yīng)變硬化；(3) 梯度納米結(jié)構(gòu)表層細(xì)小的晶粒結(jié)構(gòu)和多軸應(yīng)力狀態(tài)使馬氏體相變持續(xù)到較高的應(yīng)力與應(yīng)變水平，使得在高應(yīng)力水平下獲得高應(yīng)變硬化，從而得到超過(guò)1500 MPa屈服強(qiáng)度和20%均勻拉伸伸長(zhǎng)率；(4) 在鎂合金中，梯度納米結(jié)構(gòu)表層與粗晶基體不同的滑移模式在界面處形成高應(yīng)力，使錐面滑移在室溫下被激活，從而使屈服強(qiáng)度提高2─5倍且保留超過(guò)10%的拉伸伸長(zhǎng)率。此外，由于負(fù)責(zé)人工作單位發(fā)生變動(dòng)，開(kāi)展了部分適應(yīng)新單位要求的研究工作，得到主要結(jié)論如：(5) TiAl合金熱處理過(guò)程中微孔膨脹以致微裂紋形成是室溫脆性的主要因素，通過(guò)集成熱等靜壓和熱處理工藝，得到無(wú)缺陷組織并使室溫強(qiáng)度與拉伸延性同時(shí)提高；(6) 位錯(cuò)可在石墨烯/金屬基體界面上滑移，從而影響并弱化石墨烯金屬的變形織構(gòu)；同時(shí)石墨烯可抑制晶界遷移而提高金屬的熱穩(wěn)定性。

利用表面機(jī)械研磨技術(shù)制備奧氏體不銹鋼的梯度納米結(jié)構(gòu)塊體樣品，為揭示梯度納米結(jié)構(gòu)金屬的應(yīng)變硬化行為及微結(jié)構(gòu)機(jī)理，進(jìn)行拉伸、循環(huán)應(yīng)力松弛和顯微壓入等力學(xué)性能測(cè)試，研究表層的強(qiáng)度和塑性等力學(xué)性能；利用有限元模擬，研究表層與粗晶基體塑性協(xié)調(diào)的微觀(guān)力學(xué)過(guò)程；利用X射線(xiàn)衍射、透射電子顯微鏡等研究梯度納米結(jié)構(gòu)表層的晶粒尺寸、孿晶和相組成的梯度分布特征，重點(diǎn)關(guān)注不同拉伸應(yīng)變下梯度納米結(jié)構(gòu)表層中位錯(cuò)、層錯(cuò)、孿晶和相變的形成、發(fā)生及交互作用，揭示(1)梯度納米結(jié)構(gòu)表層應(yīng)變硬化的微結(jié)構(gòu)機(jī)理；(2)表層與粗晶基體塑性協(xié)調(diào)的微觀(guān)力學(xué)過(guò)程。通過(guò)本項(xiàng)目的研究，闡明梯度納米結(jié)構(gòu)金屬高拉伸伸長(zhǎng)率的微觀(guān)機(jī)制，建立梯度納米結(jié)構(gòu)金屬宏觀(guān)力學(xué)性能與關(guān)鍵梯度參量的關(guān)聯(lián)，為澄清納米金屬本征力學(xué)性能、突破納米金屬低塑性瓶頸提供思路。