汽輪機末級葉片由于旋轉速度快、蒸汽濕度大、水滴多，故面臨嚴重的水蝕問題。而沉淀硬化不銹鋼具備較強的綜合性能，如高強度、高韌性、高耐蝕性、高抗氧化性和優異的成形性、焊接性等，是理想的末級葉片的材料。Custom450鋼是17－4PH不銹鋼的第2代改型，屬于馬氏體沉淀硬化不銹鋼，具有良好的耐蝕性、高強度以及良好的加工特性，這類材料在服役過程中往往承受著高速動態載荷。而研究微細觀尺度的變形不均勻性是新材料開發及優選的重要準則，晶體塑性有限元方法將晶體塑性理論和有限元軟件進行了恰當的融合，成為研究細觀層次塑性變形行為的強有力工具。來自華東理工大學機械與動力工程學院的艾鑫團隊，基于Voronoi方法建立了Custom450 鋼拉伸的二維晶體塑性模型，分析了初始硬化模量、參考剪切應變率、應變率敏感系數、初始屈服應力以及飽和流動應力對材料應力——應變曲線的影響，并對晶體塑性參數進行了標定。

  在文獻中，作者所建立的單晶本構模型參考了HUANGY的單晶體模型的子程序UMAT，此率相關硬化晶體塑性模型需要確定的參數包括初始硬化模量h0、初始屈服應力τ0、參考剪切應變率γ，應變率敏感系數n和飽和流動應力τs，其他參數通過計算和查找文獻獲得。基于Voronoi方法，作者在有限元軟件Abaqus中建立了Custom450材料的多晶體二維幾何模型并將本構關系嵌入軟件中，進行拉伸過程的模擬。

  圖1所示是微結構模型及其網格劃分，幾何模型尺寸長度為0. 2 mm，寬度為0. 5mm，共包含100個晶粒，大小和形狀隨機，且晶粒取向隨機分布。

圖1包含100個晶粒的微結構模型及其網格劃分

  圖2是邊界條件的約束情況，模型的上端面和下端面的所有節點在y方向上具有均勻的位移，左側所有節點在x方向上設置約束，使其不能橫向移動，y方向自由，在右邊界施加載荷，右側的所有節點x方向上經受同等應變載荷，而在y方向上是自由的。

圖2邊界條件示意圖

    對于體心立方晶體來說，3個滑移系包括1個主滑移系和2個次滑移系。分別對包含1、2、3組滑移系開動的情形進行模擬，結果如圖3所示，只有主滑移系 { 110} < 111 >啟動時，應力——應變曲線在彈塑性區間過渡的位置存在明顯拐點，并與試驗曲線吻合良好。

圖3 不同滑移系數目下的模擬應力——應變曲線與試驗曲線對比

    圖4反映的是初始硬化模量h₀對宏觀應力——應變曲線的影響，由圖可知，初始硬化模量h₀的變化對屈服點處的數值大小幾乎沒有影響，但對塑性區的斜率有影響。

圖4模擬與試驗所得應力－應變曲線對比

(a)初始硬化模量h₀對宏觀應力－應變曲線的影響

(b)圖4a的局部放大圖

    圖5所反映的是初始屈服應力τ₀對宏觀應力——應變曲線的影響，可以看出τ₀的改變對屈服應力有影響，多晶體的屈服應力隨著τ₀的增大而逐漸增大。

圖5初始屈服應力τ₀對宏觀應力——應變曲線的影響

    圖6是參考剪切應變率對宏觀應力－應變曲線，可以看出，參考剪切應變率的值從0. 0005s^－1 變化到0. 0020s^－1時，材料進入到塑性段的應力逐步減小，但進入塑性段時的應變沒有改變。

圖6參考剪切應變率對宏觀應力－應變曲線的影響

    圖7所描述的是應變率敏感系數n對宏觀應力－應變曲線的影響，可以看出，在塑性階段隨著n的增加，相同應變下的應力降低，但對應的屈服應力不改變。

圖7應變率敏感系數n對宏觀應力——應變曲線的影響

    圖8所展示的是不同飽和流動應力τ_s對宏觀應力——應變曲線影響的模擬結果。可以看出，τ_s從160MPa增加到240MPa，應力——應變曲線重合，固飽和流動應力對屈服點的影響可忽略不計。

圖8飽和流動應力τ_s對宏觀應力——應變曲線的影響

    圖9和圖10分別對應于Custom450鋼晶粒模型的拉伸應力應變分布情況示意圖。

圖9單軸拉伸應力分布

圖10單軸拉伸應變分布

    相關研究成果以“Custom450鋼拉伸的晶體塑性有限元分析”為題發表在塑性工程學報上（2022年9月第29卷第9期），論文的第一作者是艾鑫，通訊作者是朱明亮。

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DOI: 10.3969/j.issn.1007-2012.2022.09.023