P01：尊敬的各位领导、各位专家，大家下午好！非常感谢中国汽车工程学会材料分会，给我的宝贵机会，希望可以给大家带来一场全新的内容体验。我今天汇报的题目是《金属材料本构模型的理论创新、试验方法及工程应用》，并增加了一个副标题：《金属材料本构研究的中国智慧》。
P02：首先，介绍一下研究背景，主要说明当前深陷的两大困境。
P03：第一个是理论困境，即材料模型的定义，可能存在逻辑上的不自洽。在仿真模型中，材料本构一般被分解成若干部分，它们彼此之间是相互独立的，且存在各自的理论假设，因而，可能出现自相矛盾的情况。
比如，在冲压仿真模型中，代表材料各向同性的等效应力应变曲线，与代表材料各向异性的Hill48屈服准则，两者是相冲突的。同样，在碰撞仿真模型中，若定义了代表材料各向同性的等效应力应变曲线，则按照Mises准则，断裂应变与应力应变状态无关，而试验结果表明：断裂应变与应力三轴度是相关的，若同时又定义了GISSMO失效模型，则会导致理论与试验相冲突。
P04：第二个是技术困境，即先进高强钢（AHSS）边缘失效和局部开裂的工程难题。比如，来自两家钢厂的DP980，按照通用汽车自身的材料测试标准，在B柱本体的零件冲压中，发生开裂的材料，其力学性能反而要优于没有发生开裂的材料，这显然是荒谬的，其根本原因是：传统的单轴拉伸测试标准不能评估材料的局部变形。
到目前为止，AHSS的成形问题，依然是一个世界性难题，还没有公认的、成熟的技术解决方案。
P05：面对以上理论困境和技术困境，全世界有大量的学者和技术专家展开了相关的理论和工程应用研究。通过系统的文献分析，分享两点体会：第一，“塑性工程研究领域”长期处于百家争鸣的“春秋战国”时期，还看不到“秦统一天下”的趋势；第二，有极少数人已经摸到了理论创新的大门，但没有人能够破门而入。
在此特别提一下，K. Minato这位日本学者，在1925年就已经完整的指出了金属材料本构所包含的核心参数，并与我对单轴拉伸的创新思路是一致的，只可惜，其观点超越了其时代。而我们是幸运的，所处的时代，有实现试验的测试技术、有真实的工程需求、有触手可及的互联网，稀缺的只是创新的想法。
P06：与西方学者不同，面对两大困境，我的研究结论是：只有基于中国智慧的理论创新才能打开这扇大门。为了突显对中国文化的自信，增加了一个副标题，显然不是为了增加一个噱头，而是要深刻的阐述：中国的传统思想文化是可以与现代科学研究，以毫无违和感的方式，实现无缝对接的。
P07：中国智慧的典型特征是：习惯于统一性、全局性、整体性的思维视角，在一定程度上是排斥局部视角的。东方的思维模式，会将材料“本构”理解为“道”，“单轴拉伸”即是“道生一”的结果；“二”即“阴阳”，有“单轴拉伸”必有“单轴压缩”，即“一生二”；“阴阳相生”，“T-C加载”产生“包申格曲线”，即“二生三”；最后，通过系统整合，呈现出“三生万物”的材料多样性。
东方的“整体性思维”没有产生科学，而西方的思维模式，更注重“局部性思维”，产生了科学。“局部性思维”会将材料本构看成“一张A4纸”，将其“撕成三个独立的部分”分别进行研究，这是有其合理性一面的，但是，将这三部分简单的拼回去，一不小心就会陷入理论困境。绝不是想去否定西方的研究方法，相反，我们的理论研究就建立在“西方知识框架”的基础之上。
“螳螂捕蝉，黄雀在后”，中国智慧就是那只“黄雀”，材料本构研究的“最后一公里”，即“摘桃子”这件事情，还必须依赖于中国智慧。
P08：下面将分别介绍材料本构研究，至少需要涉及的三个方面，先介绍新硬化模型，其本质是线性加载条件下的本构关系。
P09：众所周知，中国智慧蕴藏着深刻的辩证法思想。以新单轴拉伸理论为例，一方面，“大道至简”，在形式上，单轴拉伸是最接近于“道”的表现形式，是最简单的研究对象; 另一方面，“道可道，非常道”，在内容上，“道”是不可言说，正由于单轴拉伸又最接近于“道”，天然具有最深刻的内容。因此，“形式上简单、内容上深刻”的单轴拉伸，才是材料本构研究，要深入考察的对象。
然而，或忽视、或质疑、或不屑，对单轴拉伸进行研究，似乎又是学术界和工程界的一个“无共识的共识”，或者说，“集体无意识”。因此，凭借对中国传统思想和文化的领悟，让我坚持对新单轴拉伸展开了超过十年的基础研究。
首要工作是将工程问题转化为科学问题，也就是力学问题；深入研究，发现是一个数学问题（所有应力或应变的定义在数学上是可以统一的）；继续深入，发现是一个哲学问题（根本不存在“解析解”，所谓的“解析解”本质上也是“离散解”），为了寻求答案，转而花了近两年时间去研读康德的《纯粹理性批判》，终于形成了一套关于单轴拉伸的严密且完整的理论框架，其中，理论与实验的迭代次数就超过了五轮。
“学术界”关注理论深度，是需要“团结的对象”，主张材料本构研究也要“中西结合”，“全局视角”与“局部视角”要自由切换。“局部性思维”是“形”，“全局性思维”是“神”，“形神”要合一，不能“貌合神离”。“工程界”关注应用效果，是需要“服务的对象”，简单的说，“好不好，看疗效”。下面分析按柯西应力定义的第四组和按真实应力定义的第二组。
P10：直接上试验结果。第四组和第二组中的每条曲线，都有可能代表材料的本构关系，但材料本构关系是唯一的，跟标距无关。两组曲线的优缺点刚好相反，将两组曲线叠加，发现只有在1mm标距下，两条曲线是基本重合的，即两组曲线的优点兼而有之，这正是想要的结果。因此，确定按照传统计算方法，在1mm标距下的曲线，作为全历程应力应变曲线。而任意外推硬化曲线，均与第四组中非1mm标距的“某曲线”重合，比如安塞乐米塔尔的DP780的SV外推硬化曲线与其5mm标距曲线是完全重合的，因此，间接证明了所有外推曲线都是不合理的本构关系。
P11：基于对“道”与“本构”在概念上的相通性，逐渐形成了一个观点：第二代&第三代钢、热成形钢等先进高强钢，与传统的汽车用钢，在材料本构层面不应该有什么差异，认为汽车用钢的本构是统一的，是材料本构里面的表征参数，导致了材料力学性能的显著差异。
幸运的是，借助中信金属资助的汽车车身正向选材项目，测试了超过30种汽车用钢，提炼出了全历程硬化模型，该模型具有非常强的普适性，分为两段：均匀颈缩段，材料存在组织结构的转变，适合Power Law准则描述；局部颈缩段，材料无组织结构转变，适合线性准则描述。
P12：材料本构研究的第二个方面，新包申格效应，其本质是非线性加载条件下的本构关系，即塑性变形的加载路径相关性。
P13：一开始，我的目标是想要彻底否定包申格效应，并且在哲学上和逻辑上进行了充分的论证。幸运的是，被马（鸣图）老师给拉上了岸，承认了包申格效应的客观实在性，因此，退一步提出了新包申格效应。
新旧不如说是非主流与主流的区别，在文献中都可以找到相关的试验结果。前者以卸载状态为参考构型处理试验数据，后者以初始状态为参考构型。我坚定
P14：只要承认包申格效应，就可以从逻辑上做出三点推论：第一，金属材料的拉压力学性能只存在三种可能性：要么拉伸强于压缩，要么拉压对称，要么压缩强于拉伸，且均不相交，没有第四种情况，拉压曲线相交是错误的数据处理导致的假象；第二，在T-C或C-T加载下，包申格曲线只可能位于拉压曲线之间，如果拉压曲线重合，则不存在包申格效应；第三，疲劳加载前后的材料，将由拉压非对称趋向于拉压对称；只要材料存在包申格效应，材料就一定是拉压非对称的，一般而言，金属材料都是具有包申格效应的。显然，以上观点跟力学教科书中对包申格效应的描述是不一样的。
P15：包申格效应之所以重要，在于它是连接材料细观结构与宏观力学性能的桥梁，“三者之间存在数学上可描述的逻辑关系”，这也是许多学者想要实现的研究目标。如果宏观层面的材料本构研究，不能形成科学的认识，那么材料微观层面的机理研究，很可能将“猜想”误认为“发现”。
通过梳理文献的试验结果，形成了一个初步的预测：对于带状晶粒组织：比如，DP780, 其在TD和RD方向具有相反的拉压力学性能；对于均匀晶粒组织：比如，DP980，在TD和RD方向具有相同的拉压力学性能。从沿晶界微裂纹角度，对两者的力学性能差异，是可以给出直观的解释的，同时，从材料本构角度，重新解释了均匀化晶粒组织的重要性。
P16：材料本构研究的第三个方面，新成形极限图，其本质是基于应变空间的材料失效模型。
P17：我们从理论上定量
这里给出一个理论观点：汽车用钢作为韧性金属，具有显著的流变特性，在单轴压缩状态下，材料是不会断裂的，否则，就不会有太钢的“手撕钢”了，因而，利用“材料拉压非对称性”可解释“断裂应变为什么跟应力三轴度是相关的”。此外，在冲压中，零件处于剪切状态，并不普遍，因此，成形极限图只需关注“拉伸区”。
P18：采用EPS-FLD可以简单而直观的评估材料的成形能力。Zone1区域表示均匀成形能力，面积越大，Global Formability性能越好，比如，DP780的整体成形能力要强于DP980；Zone2区域表示局部成形能力，面积越大，Local Formability性能越好，比如，DP980的扩孔性能要优于DP780。
“EPS-FLD”与传统的“V-FLD”，对两者差异的合理解释：是东西方两种不同思维方式导致的结果，EPS-FLD 体现了“全局视角”与“局部视角”的统一、理论与试验的统一。
P19：对于AHSS，更容易出现边缘失效和局部开裂的问题，要实现冲压仿真模拟，需要采用带损伤的EPS-FLD，因此，提出采用边缘损伤系数来修正EPS-FLD。边缘损伤系数可通过传统的扩孔试验和新单轴拉伸DIC试验测定。零件边缘损伤的核心问题是要建立关于不同条件下的零件边缘损伤数据库。在实际应用中，就是从数据库中寻找满足成形要求的、且成本最低的切边工艺。
在此，从“材料本构角度”和“全局性思维视角”，需要赋予传统扩孔试验以崭新的内容，“均匀延伸率决定了扩孔高度，总延伸率和损伤系数决定了扩孔率”，从而，可建立起材料的本构参量与宏观参量之间的数学关系。
简单总结一下理论部分：在西方已有的研究框架下，引入中国智慧研究材料本构，保证了“拼回去的本构关系”，更接近于物理意义上的本构关系，与西方思维模式不同，同样是一张A4纸，只是折了两下，而不是撕开。
P20：第三部分，介绍一下新的试验方法。目的是将材料力学性能和成形性能的八项评估试验，精简为三项新试验：新扩孔试验、新单轴拉伸试验和新单轴压缩试验，前面已经介绍了扩孔试验，下面介绍后两项。
P21：第一，新单轴拉伸试验。由于要测定1mm标距，因此，必须要用到DIC（数值图像相关法，非接触测量技术之一）测试技术。在新单轴拉伸DIC试验中，一方面，DIC实际上是替代了引伸计的作用；另一方面，需要严格区分材料失效和试件断裂，比如，时刻570的状态代表材料已经失效，时刻600的状态表示试件已经断裂，材料本构研究只关心材料失效，不关注试件断裂，两者的关系注定了数学描述的本构只能是对物理本构的无限接近。
P22：新单轴拉伸DIC试验集成了六项试验目标， 包括全历程应力应变曲线、基于应力空间的Mises屈服面、基于应变空间的EPS-FLD、标距效应曲线、n值和r值曲线。前三项构成了一个逻辑自洽的冲压仿真材料模型；左边两项构成了一个逻辑自洽的碰撞仿真材料失效模型，从而，化解了理论困境。同时，以n值和r值的测量为例，新方法与宝钢EVI手册公布的结果进行了对比，两组数据整体上是接近的。
从新试验方法的综合效果分析，西方现有的相关材料测试标准，是可以被“新单轴拉伸标准”所取代的。我们愿意与国内钢铁、汽车行业分享技术，充分发挥行业协作的整体优势，打一场“标准反击战”。
从更深层分析：“新单轴拉伸标准”实际上是对西方技术标准的挑战，技术标准的制定和输出，表面上是一个技术话语权问题，其底层逻辑是思想和文化的碰撞。西方的材料测试标准是建立在“局部性思维模式”基础上的，而“新单轴拉伸标准”是建立在“整体性思维模式”基础上的，一个复杂低效，一个简单高效，因此，两者的冲突和对抗将是必然的。
P23：第二，新单轴压缩试验。“大变形单轴压缩”是一个世界性难题，其难点在于必须同时解决七个技术问题，缺一不可。新单轴压缩，表面上看是一个技术问题，其实也是一个思维方式问题。从文献分析西方学者的研究工作，一方面，西方学者在单轴压缩夹具设计上的想象力确实是值得敬佩的；另一方面，期待西方学者能够搞定“大变形单轴压缩”是不现实的。
只有基于夹持装置-试样-拉压机的一体化设计理念才能搞定这一世界性难题，且能同时实现：薄板疲劳加载试验（大吨位的疲劳试验机也可以直接做薄板的疲劳试验，实现与小吨位不带夹具的同样试验效果）、包申格加载或T-C加载试验和全历程加载试验。这又是典型的中国智慧，体现了“天人合一”的思想传统，对中国人思维方式的一种潜移默化的影响，因此，新单轴压缩将是最具原创性的基础技术标准。
P24：以双相钢为例，材料拉压条件下的r值是不同的，表明材料是拉压非对称的；DP590的压缩真实应变达到了0.367；DP780是0.268；DP980是0.353。查阅西方学者的文献，最大压缩量也只达到10%，但西方学者的研究确实让我们少走了很多弯路，可以直奔目标而去。事实上，做出这些实验结果，其实也是很不容易的，成功试验的背后都是大量失败试验的迭代结果。
P25：借这次会议的机会，基于我们的理论创新和试验方法，发布四个原创性的试验验证合作计划。第一个是：《疲劳加载对力学性能和晶粒组织的影响》；第二个是：《包申格曲线》；第三个是：《晶粒组织和拉压力学性能的内在统一性》；第四个是：《热成形材料断裂应变的理论研究》。合作方负责取样和试验，武汉上善负责提供单轴压缩夹具、试验方法、数据处理等。欢迎有兴趣的钢厂、铝厂、主机厂、高校等与我联系，我们将与合作伙伴共享理论创新的研究成果。
P26：第四部分，工程应用。没有来自底层力学理论的创新，要解决“塑性工程”中的难题，会遇到许多，或理论、或逻辑、或方法上的困难或问题。下面将介绍：在新单轴拉伸理论基础上，如何运用前面应用层的理论创新和高度集成的试验方法，以低成本、简单而高效的方式，解决工程上的五个痛点问题。
P27：第一个需要解决的痛点问题是：汽车碰撞仿真材料失效模拟。我们的基础研究表明：材料本构模型也是建立在有限元思想基础之上的，意味着理论与仿真的鸿沟被打破了，体现在工程应用上，即材料本构模型中的标距效应与有限元模型中的网格尺寸效应，具有一一对应关系。
比如，在整车碰撞模型中，B柱本体的网格尺寸是8mm，设定8mm标距对应的失效应变是0.08，仿真结果没有出现B柱失效，与实际碰撞吻合。在VDA极限冷弯模型中，采用的网格尺寸是0.5mm，设定0.5mm标距对应的失效应变是0.251，将仿真结果代入等效断裂应变的VDA理论公式，计算结果是0.254，仿真模型的输入与输出误差仅为1.2%。以上两个案例说明，采用新单轴拉伸DIC试验，测定的热成形材料本构参数，在逻辑上是自洽的。
P28：关于等效断裂应变的VDA理论公式，是马老师和我的合作研究成果。马老师的判断是材料断裂应变理论上跟厚度无关，是材料的本征参量，而极限冷弯角又跟厚度相关，因此，需要理论上的解释。通过多次研究讨论，将理论公式中的厚度成功消除，并且得到了仿真结果的验证。在此，对马老师“探索不止”的科研精神深表敬意。
在整个研究的过程中，意外发现了两点与传统理论假设截然相反的结论：第一，中性层向外侧移动；第二，材料拉压非对称。
P29：以上两点，其实是很容易得到文献证明的，比如，试样弯曲变形后，压缩区的高度，显著大于拉伸区的高度。基于此两点结论，可以在理论上精细化的解释AHSS的零件回弹问题，并进一步提出了“回弹对冲设计原则”，包括倒角对冲、面内对冲和零件对冲，结合“回弹补偿经验方法”，关于零件回弹的解决方案，都可以用这两点来解释，反过来，灵活运用这两点，可制定出解决零件回弹的技术解决方案。这是第二个要解决的痛点问题。
P30：第三个要解决的痛点问题是：零件的边缘开裂。修正的EPS-FLD，其物理意义是：零件的边缘损伤不影响材料的断裂应变，但会影响材料的应变路径。比如，含铌的材料，无边缘损伤，材料要达到B点才失效，而带边缘损伤的，到达Q点后直接沿QC路径达到C点失效，即红色区域将从EPS-FLD中删除，同样，不含铌的材料，带边缘损伤，到达P点后直接沿PD路径达到D点失效，同样，红色区域删除。
QC和PD路径的物理意义是：只需极小的外载荷，即可达到材料失效点，也就意味着，零件边缘的变薄率将显著降低。因此，对于含铌和不含铌的同一材料牌号，修正的EPS-FLD将表现出较大的成形性能差异，从而，成功的将铌的作用，引入到材料本构模型的描述当中。
P31：第四个要解决的痛点问题是：零件的局部开裂。目前，仿真软件只能发现局部开裂的风险点，无法对其进行完整的模拟。新思路是：将局部开裂问题，转化为边缘开裂问题进行处理。简单的说，在局部开裂之前，采用无损伤的EPS-FLD；在局部开裂之后，零件会产生自由边，沿自由边区域，则需要匹配带损伤的EPS-FLD。
P32：第五个要解决的痛点问题是：零件的表面损伤。以热成形钢Al-Si镀层为例，现实的困境是拉伸与弯曲差异太大，说明传统的测试标准不完善。新思路是：将镀层问题，转化为零件表面损伤问题进行处理。镀层改变了零件的表面质量，不同的镀层，产生的微裂纹程度不一样，更多更深的微裂纹只需更小的能量就能使基体材料达到失效应变。
采用新单轴拉伸DIC试验、极限冷弯试验及断裂应变VDA理论公式，并引入表面损伤系数，零件表面损伤同样是可以定量评估的，与扩孔试验一样，VDA极限冷弯试验也将被赋予崭新的内容（继前三项新试验后，成为第四项必要试验）。
最后两个工程问题的解决方案，显然是中国智慧中“求同存异”思想的一种体现，看似不同的问题被当成同一个问题进行处理。
P33：这是我们的一个愿景：从新材料研究、开发与应用的各个环节看整个技术生态系统的话，涉及钢铁厂、主机厂、学术研究机构及铌-钒、DIC技术和仿真软件等供应商，彼此之间的连接，或强或弱。我们希望通过我们的基础研究，建立一个彼此之间均是强连接的生态闭环系统，从而，更高效的实现各自的技术价值和商业价值。
P34：总结一下，毛主席说：“帝国主义都是纸老虎”，“战术上要重视，战略上要藐视”；孙子说“知己知彼，百战不殆”。植根于两千多年的中国传统思想和文化，在材料本构研究这件小事上，我们是专注的、认真的，并笃定的认为“用中国智慧吃定了西方学术研究的短板”。
客观上讲，西方人要进入中国文化体系太难，相反，中国人进入西方的文化体系则相对容易。科学虽然没有在中国文化的土壤中诞生，但中国智慧必将西方科技推向新的发展高度，攫取最有价值的“果实”。
因此，在现在和未来的科技竞争中，中国将具有天然的文化自信和思维优势，同时，也要清醒
P35：有兴趣的可关注、加微信，获取PDF版本。
P36：最后，感谢各位专家的耐心聆听，欢迎批评指正，谢谢！
以上为演讲的文字部分，以下为报告的PPT内容。
来源：环状结构与材料本构
