焊接过程材料硬化行为表征及应力应变演化

为了实现焊接过程的精准模拟，设计了多级载荷等温循环拉压试验方法，提出相对内应力评价材料循环载荷下的硬化行为，建立了非线性混合硬化模型，表征焊接过程材料的应力应变演化行为；基于等温拉压试验、Satoh试验及数值模拟，通过非线性混合硬化模型、等向硬化模型和随动硬化模型的敏感性分析，验证了非线性混合硬化模型的准确性；提出了高温非弹性应变处理方法，建立了力学熔点测试方法，结合非线性硬化模型和力学熔点，建立了材料的连续体本构模型；以Peclet系数判定熔池液态金属的热传输主导方式，结合焊缝熔池横截面形貌，建立了复杂焊接热源模型，以焊接温度曲线及焊接冷却速度，验证焊接热源模型的准确性；开展了平板表面堆焊、多道焊试验及焊接数值模拟，计算的焊接残余应力与实测值比较，研究了硬化模型和力学熔点对焊接残余应力的影响，进一步验证了非线性混合硬化模型的可靠性，上述研究内容成功地应用于不锈钢激光焊的数值模拟；开展了深孔法和数字图像相关法的研究，搭建了两种方法的测试平台，并且成功地应用于焊接残余应力的测试，为焊接残余应力的测试提供了新的手段；基于拉达伊应力应变模型，考虑力学熔点，提出了新的焊接过程热弹塑性应力应变演化模型。 本项目实现了焊接过程材料力学本构模型的精准建模，提出新的焊接过程热弹塑性应力应变演化模型，对焊接力学和数值模拟的发展及应用具有重大的推动作用和研究意义。 2100433B

建立合适的材料硬化模型，准确表征焊接过程材料的硬化行为和应力应变演化过程，对准确地预测焊接残余应力、评估焊接结构完整性具有重要的科学价值和现实意义。本项目以核反应堆压力容器主管道焊接残余应力评估为背景，以316L奥氏体不锈钢为研究对象，提出以熔池横截面形貌、温度曲线及焊接冷却速率修正焊接热源模型，实现焊接温度场的准确模拟；改进A-F非线性随动硬化模型，推导模型参数与温度之间的关系，结合一定比例的等向硬化模型，建立一种新的非线性混合硬化模型；基于等温拉伸压缩试验、Satoh试验及316L不锈钢表面堆焊、多道焊试验，验证非线性混合硬化模型的可靠性。结合焊接数值模拟和DIC动态应变测量，基于拉达伊应力应变演化模型，考虑材料退火效应，提出新的焊接过程准稳态下热弹塑性应力应变演化模型。

应变硬化指数是指由塑性变形引起的硬度和强度增加的度量。通过以下等式将真应力和真应变联系起来：S= F d h 其中：s代表真应力，F代表单位应变的真应力，d代表真应变，h代表应变硬化指数。

为揭示梯度纳米结构金属的应变硬化机理，利用SAMT技术在IF钢、304不锈钢、AZ31镁合金中制备了多种梯度纳米结构样品，通过拉伸、循环应力松弛、微结构表征以及有限元模拟，研究了梯度纳米结构表层与粗晶基体协调变形的微观过程、力学性能与应变硬化规律、以及应变硬化过程对应的可动位错形成与增殖、马氏体相变等微结构行为。得出以下主要结论：(1) 梯度纳米结构在拉伸过程中发生单轴向多轴的应力状态转变。粗晶基体发生屈服后，因泊松比不同而在梯度表层产生拉─压、在粗晶基体形成拉─拉多轴应力状态；整体进入屈服以后，梯度表层失稳受基体抑制，表层产生拉─拉、而粗晶基体形成拉─压多轴应力状态；(2) 梯度表层与粗晶基体在侧向的协调变形使梯度纳米结构在拉伸过程中形成应变梯度，导致几何必需位错密度增加从而提高应变硬化；同时应力状态由单轴向多轴的转变过程使可动位错密度不断形成并增殖，进一步提高了位错交互作用与应变硬化；(3) 梯度纳米结构表层细小的晶粒结构和多轴应力状态使马氏体相变持续到较高的应力与应变水平，使得在高应力水平下获得高应变硬化，从而得到超过1500 MPa屈服强度和20%均匀拉伸伸长率；(4) 在镁合金中，梯度纳米结构表层与粗晶基体不同的滑移模式在界面处形成高应力，使锥面滑移在室温下被激活，从而使屈服强度提高2─5倍且保留超过10%的拉伸伸长率。此外，由于负责人工作单位发生变动，开展了部分适应新单位要求的研究工作，得到主要结论如：(5) TiAl合金热处理过程中微孔膨胀以致微裂纹形成是室温脆性的主要因素，通过集成热等静压和热处理工艺，得到无缺陷组织并使室温强度与拉伸延性同时提高；(6) 位错可在石墨烯/金属基体界面上滑移，从而影响并弱化石墨烯金属的变形织构；同时石墨烯可抑制晶界迁移而提高金属的热稳定性。

利用表面机械研磨技术制备奥氏体不锈钢的梯度纳米结构块体样品，为揭示梯度纳米结构金属的应变硬化行为及微结构机理，进行拉伸、循环应力松弛和显微压入等力学性能测试，研究表层的强度和塑性等力学性能；利用有限元模拟，研究表层与粗晶基体塑性协调的微观力学过程；利用X射线衍射、透射电子显微镜等研究梯度纳米结构表层的晶粒尺寸、孪晶和相组成的梯度分布特征，重点关注不同拉伸应变下梯度纳米结构表层中位错、层错、孪晶和相变的形成、发生及交互作用，揭示(1)梯度纳米结构表层应变硬化的微结构机理；(2)表层与粗晶基体塑性协调的微观力学过程。通过本项目的研究，阐明梯度纳米结构金属高拉伸伸长率的微观机制，建立梯度纳米结构金属宏观力学性能与关键梯度参量的关联，为澄清纳米金属本征力学性能、突破纳米金属低塑性瓶颈提供思路。