20CrMnMo齿轮钢的拉伸行为：基于纳米压痕校准的CPFEM建模

《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：Tensile behavior of 20CrMnMo gear steel: Nanoindentation-calibrated CPFEM modeling

　　实验支持使用晶粒尺寸作为梯度CPFEM模型中硬度梯度的主要描述符。一种多层深度、双层的纳米压痕方法校准晶体塑性参数。晶粒尺寸的空间排列改变局部应力和变形，而对屈服强度影响不大。梯度织构在保持高屈服强度的同时减少了变形不均匀性。引言齿轮钢用于高速铁路、车辆、风力发电机和航空航天设备。这些部件通常在高载荷、大温度变化和动态冲击下工作，因此其服役性能、可靠性和疲劳寿命非常重要。渗碳在近表面产生梯度多晶微观组织，提高表面硬度，同时保持芯部韧性，因此被广泛用于强化齿轮。许多研究考察了渗碳钢。Wang等人优化了16Cr3NiWMoVNbE齿轮钢的低压渗碳，并研究了其微观组织和力学性能随工艺条件的变化，发现有效硬化层深度内存在明显的硬度梯度。Xiao等人研究了真空渗碳20Cr2Ni4钢，发现表面硬度的提高改善了高周疲劳强度。Cao等人对100Cr6轴承钢进行真空渗碳，观察到梯度表面微观组织，并报告滚动接触疲劳寿命提高十倍以上，主要归因于渗碳层中的残余奥氏体。Cao和Ernst等人报道，低温气体渗碳后奥氏体不锈钢中碳过饱和度高达12 at.%，溶解碳抑制了碳化铬析出，从而提高了表面硬度和耐腐蚀性。Shi等人研究了循环渗碳后17CrNiMo6重载齿轮钢的耐磨性，并确定碳浓度变化是形成硬质表层的重要因素。这些研究将渗碳、微观组织、成分和材料性能联系起来，但大多数集中在工艺优化和处理前后的性能变化。在具有梯度微观组织的渗碳钢中，微观组织和力学性能都随深度变化。这些差异如何影响加载过程中的晶粒变形，以及晶粒尺度响应如何与整体力学响应相关联，仍需进一步研究。能够描述晶粒变形和相互作用的数值方法因此对于考察这种关系是有用的。晶体塑性理论提供了将微观组织与宏观力学行为联系起来的本构框架。其基础可以追溯到Bishop、Taylor等人的工作，他们使用简化假设来考虑由晶粒取向分布产生的各向异性。然而，这些早期模型无法处理复杂边界条件或准确描述晶粒之间的力学相互作用。为解决这些局限性，有限元方法被引入晶体塑性。Peirce等人首次使用晶体塑性有限元模拟分析单晶的拉伸行为。Harren等人随后将该方法扩展到具有两个或三个滑移系的多晶体，而Becker等人首次使用面心立方晶体的12个滑移系进行三维晶体塑性有限元模拟。在数值实现方面，晶体塑性模型可以通过用户材料子程序（UMAT/VUMAT）嵌入商用有限元软件中，如Huang等人开发的Abaqus子程序。此后，晶体塑性有限元方法已用于跨微观和宏观尺度的模拟，包括相变、晶粒尺寸效应、纳米压痕、损伤演化、疲劳和各向异性。在材料变形和梯度微观组织的研究中，An等人将晶粒细化与位错演化联系起来，并将这种关系纳入晶体塑性模型，以模拟纯铜在动态拉伸和压缩下的微观组织演化。Zhang等人将塑性应变梯度引入经典晶体塑性理论，并研究了梯度纳米孪晶铜在单轴拉伸下的尺寸效应和强化行为。Lu等人开发了考虑位错机制的尺寸相关晶体塑性模型，以预测梯度纳米晶和粗晶铜的拉伸行为。这些研究表明，晶体塑性模型可以将微观组织与宏观力学性能联系起来，并可应用于广泛的问题。将晶体塑性应用于渗碳齿轮钢梯度微观组织的力学响应，需要解决两个相关问题。首先，微观组织和局部力学性能随深度变化，因此需要多深度的实验数据来建立本构参数的统一关系。其次，参数校准后，需要分析不同深度区域在共同载荷下如何变形和相互作用，以及梯度微观组织与整体力学响应之间的关系。本研究聚焦20CrMnMo渗碳齿轮钢。基于微观组织和力学性能的实验测量，我们开发了渗碳层的梯度晶体塑性本构模型。对于参数校准，我们提出了一种利用多深度纳米压痕数据的双层方法。该方法解决了传统单曲线校准难以捕捉不同深度力学响应的问题，并建立了晶粒尺寸与晶体塑性参数之间的定量关系。然后，我们使用该模型分析梯度微观组织在拉伸载荷下的演化和宏观力学响应，旨在识别影响梯度结构变形不均匀性的因素，并为渗碳齿轮钢的性能预测和工艺优化提供数值工具。本文其余部分组织如下。第2节介绍实验方法和结果，并分析影响硬度梯度的主要因素，为模型提供实验基础。第3节描述梯度晶体塑性本构模型的开发，重点介绍基于多深度纳米压痕数据的双层参数校准方法和模型验证。第4节建立梯度多晶模型，考察整体变形、晶粒形貌、取向演化和局部力学响应，以识别变形不均匀性的特征。第5节进一步考察晶粒尺寸空间分布和初始晶粒取向如何影响变形不均匀性和宏观力学响应。第6节总结主要结论。章节片段实验表征本节表征20CrMnMo齿轮钢渗碳区域的梯度微观组织和局部力学性能，并考察与硬度梯度相关的主要微观组织因素。第2.1节描述试样制备和热处理。第2.2节介绍不同深度处相分数和晶粒尺寸的电子背散射衍射（EBSD）测量。第2.3节使用电子探针显微分析（EPMA）测量碳含量。建模方法本节描述梯度晶体塑性模型、其参数校准和验证及适用范围。第3.1节介绍本构框架。第3.2节描述基于多深度纳米压痕数据的双层校准方法。第3.3节介绍多晶晶体塑性有限元模型及其验证。第3.4节讨论模型的范围和局限性。结果使用第3.3.1节中的多晶CPFEM框架，建立了一个具有晶粒尺寸梯度和随机初始晶粒取向的模型，以考察其在拉伸下的响应。第4.1节描述其几何形状和参数分配。第4.2节考察整体变形和晶粒形状变化，第4.3节考察晶粒取向，第4.4节考察应力、塑性应变和累积滑移的空间分布和演化。讨论基于第4节中识别出的变形不均匀性，本节考察晶粒尺寸空间分布和初始晶粒取向如何影响力学响应。第5.1节比较晶粒尺寸排列的整体变形、局部应力和应变及屈服强度。第5.2节使用EBSD取向数据构建具有梯度织构的模型，并与随机取向模型进行比较。结论本研究结合EBSD、EPMA、纳米压痕和晶体塑性有限元模拟，考察了渗碳20CrMnMo齿轮钢的梯度微观组织和拉伸行为。主要结论如下：(1) 在渗碳区域，晶粒尺寸随深度增加而硬度降低，两者遵循良好的Hall–Petch关系。晶粒尺寸与硬度趋势的对应关系比相分数或碳含量更明确，支持将其用作主要变量。CRediT作者贡献声明Yufeng Bao：初稿撰写、可视化、验证、软件、方法学、调查、正式分析。Xingjian Dong：审阅与编辑、监督、项目管理、调查。Cheng Wang：审阅与编辑、监督、调查。Jun Luo：监督、项目管理。Zhike Peng：监督。Guang Meng：监督。利益冲突声明作者声明，他们不知道可能影响本文报告的已知竞争经济利益或个人关系。致谢本项目受国家重点研发计划、国家自然科学基金和先进装备机械传动国家重点实验室开放基金资助。