316L奥氏体不锈钢多轴变形与温度对应变诱导马氏体相变影响的晶体塑性建模研究

这篇研究通过整合应力状态依赖的马氏体相变模型和基于位错密度演化的硬化定律，建立了弹塑性自洽(EPSC)晶体塑性模型，用于模拟316L不锈钢在单轴/双轴载荷及不同温度下的变形行为。模型成功预测了双轴拉伸比单轴拉伸产生更多ε-马氏体(ε)和α″-马氏体(α″)的现象，并通过电子背散射衍射(EBSD)、中子衍射和数字图像相关(DIC)技术验证了几何场、相分数与织构演变的预测准确性。

　　

Highlight

研究亮点

本工作通过建立集成应力状态敏感马氏体相变机制的弹塑性自洽(EPSC)晶体塑性模型，揭示了316L不锈钢在复杂载荷下的相变动力学规律。模型创新性地通过堆垛层错宽度(SFW)和应力三轴性量化了部分位错分离对ε→α″相变链的促进作用，为理解多轴变形中相变强化的微观机制提供了新视角。

Material and experiments

材料与实验

采用电子背散射衍射(EBSD)表征初始材料的奥氏体(γ，FCC结构)织构，通过不同应变速率/温度的单轴拉伸实验获取模型校准数据。对微管胀拉和板材双轴拉伸试件，同步采用中子衍射监测相变分数，数字图像相关(DIC)技术捕捉应变场分布。

Modeling framework

建模框架

EPSC模型包含三个核心模块：1) 考虑各向异性弹性的晶粒响应；2) 基于位错密度的硬化定律；3) 物理驱动的相变子模型——通过Schmid因子计算部分位错分离距离，当领先位错Schmid因子高于拖曳位错时触发ε-马氏体成核，而α″-马氏体则在剪切带交叉处形成。该框架首次实现了从位错运动到多相演变的跨尺度预测。

Results

研究结果

实验显示双轴拉伸的α″-马氏体体积分数比单轴拉伸高18%，模型精确再现该现象。微观机制分析表明：双轴载荷在晶粒内产生更高应力三轴性，使部分位错分离距离增加300%，显著促进ε→α″相变链。温度升高至200°C时，相变分数下降60%，与模型预测的SFE温度依赖性高度吻合。

Discussion

讨论

与传统唯象模型不同，本工作建立的物理机制模型成功解释了看似矛盾的实验现象：虽然单轴载荷更有利于相变织构发展，但双轴载荷通过应力状态调控位错运动，在微观尺度创造了更有利的相变条件。该发现为航空航天用不锈钢部件的多轴成形工艺优化提供了理论依据。

Conclusions

研究结论

该EPSC-FE多尺度建模框架首次实现了对316L不锈钢相变动力学的应力路径敏感预测，证实双轴变形中应力三轴性对位错运动的调控是提高马氏体相变效率的关键因素。模型为开发高强韧TRIP效应不锈钢提供了可量化的设计工具。