一种GH3536超薄材冷轧退火组织的塑性和损伤预测方法

本发明涉及高温合金冷变形损伤预测的，尤其涉及一种gh3536超薄材冷轧退火组织的塑性和损伤预测方法。

背景技术：

1、gh3536是ni-cr-fe-mo体系的固溶强化型镍基高温合金，具有卓越的抗氧化性和耐腐蚀性，是制造航空发动机燃烧室部件、扩散器、导向叶片、蜂窝结构等部件的关键材料。

2、gh3536合金具有良好的延展性，易于冷热成形加工，其冷轧超薄材的厚度范围为0.05-0.8mm，厚度小于0.1mm的称为超薄材。超薄材的制备流程为：真空感应熔炼→电渣重熔→均匀化→热锻→热轧→固溶→固溶后表面处理→冷轧→退火。轧制后的gh3536带箔材强度高且塑性较差，不能直接进行冲压成型。将其退火处理使其具有软态性能，才能满足后续工件精密冲压成形的要求。但是，软化退火后的带箔材其性能分散性较大，难以满足薄壁等结构件性能稳定性控制要求。而镍基高温合金的微观组织是影响其力学性能的主要因素，特别是晶粒尺寸的作用尤为重要。

3、微米级金属材料具有尺寸效应，其力学行为不能用常规尺寸材料的经典理论解释。随着超薄材厚度的减小，在轧制过程中更易发生破裂等损伤。晶粒尺寸大小对超薄材变形过程中的损伤影响缺少研究工作和理论依据。超薄材由于拉伸过程中同轴度难以控制，常见的力学性能测试一般采用室温拉伸。而实际服役过程中材料需经受一定的温度，微观缺陷对超薄材高温力学性能的影响缺少有效的研究方法，建立能够直观描述超薄材冷变形过程随厚度减薄时应力分布，预测损伤的模型，能够弥补实验方法的不足，进而指导实际生产，具有重要的理论意义和工程应用价值。

4、中国专利cn116050252a公开了一种结构疲劳损伤预测方法和装置、存储介质，其是通过将应变测量值与基准值的相对误差百分比作为输入，对应的裂纹信息作为输出，训练用于识别裂纹长度的高斯过程回归模型；根据所述高斯过程回归模型，结合物理基模型，通过动态贝叶斯网络实时预测结构的疲劳裂纹扩展；显然是基于机器学习来进行损伤预测，训练数据来源于现有技术中的应变测量值，并未考虑超薄材冷变形过程组织变化和对应的性能变化，损伤预测针对的对象和预测机理不会给超薄材冷变形过程预测损伤的模型任何技术启示。

5、中国专利cn115798638a公开了一种z-pin增强碳纤维复合材料损伤预测方法及系统，其是通过获取的z-pin增强碳纤维复合材料数据来构建z-pin增强碳纤维复合材料的三维宏观有限元模型；对三维宏观有限元模型进行冲击力学性能预测，得到冲击损伤预测结果；显然建立的三维模型影响因素非常多，预测损伤难度大，且并未考虑温度对冲击损伤预测结果的影响。

6、中国专利cn112163352a公开了中碳钢超细晶棒材3d-spd轧制损伤预测方法及模型，其是基于有限元模拟软件建立中碳钢超细晶棒材3d-spd轧制过程中曼内斯效应的损伤模型，并进一步得出中碳钢超细晶棒材3d-spd轧制过程中裂纹萌生的模型，通过将设计的送进角、辗轧角、辊面锥角、径缩率参数输入至中碳钢超细晶棒材3d-spd轧制模型，并设定裂纹萌生的模型，从而判断是否会萌生裂纹；故而得到的裂纹萌生的模型以及输入模型的参数不会给超薄材冷变形过程预测损伤以技术启示。

7、中国专利cn103940662a公开了高温材料应力松弛剩余应力和损伤的预测方法，其需要采集高温部件材料的蠕变性能数据和曲线以拟合出相应的材料常数，建立应力松弛连续损伤模型，应用应力松弛连续损伤模型，进行数值分析和程序计算，预测运行一定时间后的高温构件应力松弛剩余应力和损伤程度；显然预测针对的是应力松弛连续损伤，而不是不同温度下晶粒尺寸效应的差别。

8、鉴于此，本发明基于晶体塑性本构模型和有限元方法相结合，提供了一种gh3536合金超薄材冷变形过程晶粒尺寸大小对超薄材变形过程中的损伤影响预测模型。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是当前的材料损伤预测基于现有技术中应力应变参数的机器学习，或者是三维宏观有限元模型，或者是3d-spd轧制模型，或者是基于高温部件材料的蠕变性能数据和曲线的应力松弛连续损伤模型，并未考虑超薄材冷变形过程组织变化和对应的性能变化，损伤预测针对的对象和预测机理不会给超薄材冷变形过程预测损伤的模型任何技术启示。

2、为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

3、一种gh3536超薄材冷轧退火组织的塑性和损伤预测方法，所述gh3536超薄材冷轧退火组织的塑性和损伤预测方法如下步骤：

4、s1、基于abaqus软件建立初始尺寸的gh3536初始组织的代表性多晶模型，设置多种平均晶粒尺寸，每种模型使用三种随机取向来模拟完全退火无初始织构情况；

5、s2、在s1基础上编写考虑taylor位错理论和热激活效应的单晶本构模型，并基于abaqus平台进行数值实现；

6、s3、在s2基础上通过有限元分析，模拟不同温度、不同微观结构的超薄带材的塑性和损伤的演化特征。

7、优选地，s1中初始尺寸为500×50μm，多种平均晶粒尺寸分别为50μm、25μm、10μm、5μm，各平均晶粒尺寸对应的标号分别为n-1、n-2、n-3、n-4。

8、优选地，s2中单晶本构模型的参数为密度ρ、比热cp、taylor系数、热膨胀系数、burger矢量b、激活自由能f0、参考剪切应变率、霍尔佩奇参数、玻尔兹曼常数、弹性常数c11、弹性常数c11斜率、弹性常数c12、弹性常数c12斜率、弹性常数c44、弹性常数c44斜率、晶格内部阻力、运场阻力、平均晶粒尺寸、位错俘获距离、ssd湮灭系数a、位错相互作用系数、共面位错俘获系数、非共面位错俘获系数、流动障碍系数p、流动障碍系数q、初始位错密度。

9、优选地，s2中单晶本构模型中，根据连续介质力学的基本理论，晶格的总变形梯度，表示为弹性变形梯度与塑性变形梯度的乘积，具体表示式如下：

10、f＝fefp

11、式中：f为晶格的总变形梯度，fe为弹性变形梯度，表示变形过程晶格的弹性畸变和刚性旋转，fp为塑性变形梯度，表示晶格变形过程中的剪切滑移，而将晶体的本构方程定义于中间构型，以避免变形过程的旋转操作。

12、优选地，s2中单晶本构模型中，考虑温度对晶格变形过程产生的热膨胀效果，单晶的本构方程表示式为:

13、t*＝c(θ)[e*-a(θ-θ0)]

14、该本构方程利用的是位于中间构型的pk2应力与格林应变表示，a是晶格的热膨胀系数，θ是当前温度，θ0是参考温度，需要在本构中去除温度改变引起的应变部分；

15、其中格林应变定义根据连续介质力学中的右柯西格林应变张量定义；分别表示为：

16、右柯西格林应变张量c＝fet×fe，式中：t为转置；

17、格林应变张量式中：i为3×3的单位张量；

18、定义于中间构型的pk2应力与定义于当前构型的柯西应力(真应力)的关系表示式为：

19、t*＝fe-1(det(fe)t)fe-t

20、根据pk2应力定义可以不同滑移系统的分切应力表示式为：

21、

22、式中：τα为施密德张量，α为滑移系统，m0为滑移系统方向向量，n0为滑移系统法向向量。

23、优选地，s2中单晶本构模型中，塑性速度梯度与剪切应变增量的关系可以表示式为：

24、

25、式中：lp为塑性速度梯度，为塑性变形梯度的变化率，为剪切应变率；

26、为了使本构模型考虑温度对塑性剪切流动的影响，采用热激活的形式描述晶格的塑性流动；

27、

28、式中：是材料常数，f0是激活能，k是玻尔兹曼常数，μ(θ)是当前温度对应的剪切模量，μ是在0k的参考剪切模量，是远场晶粒尺寸和位错结构造成的变形阻力，是晶格内部阻力，p和q是位错运动受变形障碍影响的指数项系数；

29、当前温度对应的剪切模量的表示式为：

30、

31、式中：c44(θ)、c11(θ)、c12(θ)为温度相关的弹性常数；

32、基于弹性模量与温度近似线性关系，弹性系数表示式为:

33、cij(θ)＝cij0(θ0)+mij(θ-θ0)。

34、式中：cij(θ)为当前温度的弹性常数，cij0(θ0)为参考温度的弹性常数，mij为斜率。

35、优选地，s2中单晶本构模型中，对于fcc结构而言，晶格内部变形阻力和远场效应一般被忽略，故而晶粒尺寸和位错结构影响的变形抗力表示式为：

36、

37、k是霍尔佩奇斜率，d是晶粒直径，ααβ是位错相互作用张量，ρβ是β滑移系统的位错密度，其同时考虑位错的生成和湮灭，表示式为：

38、

39、式中：ρα为滑移体系α的位错密度，b为柏氏矢量，rc为位错湮灭的位错捕获半径；

40、模型中dαβ为位错相互作用矩阵，对于共面与非共面位错，相互作用系数数表示为：

41、

42、式中：aαβ为位错相互作用张量，为共面相互作用系数，为非共面相互作用系数。

43、优选地，s2中单晶本构模型中，位错湮灭半径表示与温度直接相关，并表示为温度的函数，表示式为:

44、

45、式中：rc为湮灭半径，rc0为参考湮灭半径，k为玻尔兹曼常数，a为材料系数；

46、而塑性变形过程中，塑性功大部分会转化为热的性质，绝热条件下，基于剪切滑移造成的温度变化表示式为：

47、

48、ρ是材料密度，c是比热容，表示温度变化，ξ表示塑性功转化为热的比例，区间为[0.85,1.0]。

49、优选地，将所述的gh3536超薄材进行冷轧退火，所获得的组织与s3得到不同温度下晶粒尺寸效应的差别相比较，s3的损伤预测的组织与前述所获得的组织的误差小于5％。

50、本发明的技术原理：

51、本发明采用基于位错密度的晶体塑性本构模型与有限元方法相结合，通过编写umat本构模型在abaqus实现，逐一对各个因素进行分析。

52、模型研究对象为gh3536合金超薄材简单拉伸过程中的不同晶粒尺寸对变形过程应力应变响应的影响。为了探究不同晶粒尺寸的差异，拟采用二维模型进行分析，即拉伸过程不考虑横向的尺寸变化。同时使用二维模型可以显著减少求解时间，并得到相同的规律。

53、且每种模型使用三种随机取向(模拟完全退火无初始织构情况)，以避免取向的影响，在一定厚度下，带材的延伸率一般很小，可以合理的设置拉伸变形为10％或12％或15％的工程应变。

54、上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：

55、上述方案，本发明提供了一种gh3536超薄材冷轧退火组织的塑性和损伤预测方法，解决了现有技术对于超薄材的损伤预测大多数基于已有应力应变参数的机器学习所存在的技术缺陷，而其他类似预测损伤的方式则存在预测模型和影响因素难以进行有效预期。

56、本发明通过基于位错密度的晶体塑性本构模型与有限元方法相结合，能够预测gh3536合金超薄材简单拉伸过程中的不同晶粒尺寸对变形过程应力应变响应的影响，同时也能够预测不同晶粒尺寸超薄材在不同温度下进行变形时的组织、应力。

57、本发明同时考虑了超薄材、温度、冷变形等影响因素，建立能够直观描述超薄材冷变形过程随厚度减薄时应力分布，预测损伤的模型，能够弥补实验方法的不足，进而指导实际生产，具有重要的理论意义和工程应用价值。

58、总之，本发明方法相对于其他传统方法，通过基于位错密度的晶体塑性本构模型与有限元方法相结合，能够精准预测不同晶粒尺寸超薄材在不同温度下进行变形时的组织和应力情况，该方法成本低、效率高、影响因素简单、预测方式便捷、适用范围广，利于工业生产实践和推广。