晶体塑性有限元方法在增材制造金属材料力学性能研究中的应用

增材制造作为先进制造技术的代表,已被广泛应用于航空航天等高新技术领域。金属增材制造技术的高能量密度、高热和快速冷却等复杂工艺特点使得成形件的微观结构与传统制造技术所得成形件显著不同,这对金属材料力学性能有着重要影响。晶体塑性有限元方法将晶体塑性理论与有限元方法相结合,能够跨尺度分析增材制造金属材料微观结构与力学性能之间的关系,为优化工艺过程提供支撑。本文综述了近年来晶体塑性有限元方法在金属增材制造中的应用,阐述了代表增材制造金属材料微观结构特征的几何模型的建立方法和有限元应用,提出了相关发展趋势。

梯度晶粒结构材料拉伸断裂行为的晶体塑性有限元模拟

梯度晶粒结构材料通过在材料内部构筑由纳米晶、细晶渐进过渡至粗晶的微结构,使其展现出诸多优异的力学性能,如高强度、高韧性和抗疲劳性等.工程材料在长期服役过程中,不可避免会发生疲劳和断裂,严重威胁材料的服役安全和使用寿命.相关实验研究报道了纳米晶材料具有沿晶断裂的特点,且抗断裂性能与晶粒尺寸相关,然而梯度晶粒结构材料具有复杂的晶粒尺寸分布,其断裂机理仍需进一步揭示.为此,基于晶体塑性有限元方法,将Cohesive单元植入有限元模型的多晶晶界处,分别模拟了均匀晶粒结构铜和梯度晶粒结构铜的单拉力学性能,并研究了预制裂纹对梯度晶粒结构材料裂纹扩展的影响.结果表明,所提出的晶体塑性本构模型结合晶界损伤机制可以有效模拟梯度晶粒结构材料的塑性变形以及裂纹扩展过程.在单轴拉伸变形下,梯度晶粒结构材料展现了应力与塑性应变的梯度分布特征.一方面,由于晶粒尺寸效应,尽管基体细晶区具有相对较低的流动应力,但是表层纳米晶强度高.此外,由于应变硬化能力的不同,尽管纳米晶区域表现出较低的塑性应变,但细晶区域呈现较高的塑性变形能力.因此,梯度晶粒结构通过强度与应变硬化能力的差异,有效地优化了强度与韧性的协同作用,从而增强了抵抗裂纹扩展的能力.纳米晶区域预制裂纹对梯度晶粒结构材料的强度影响较大,因此抑制纳米晶区域的裂纹萌生有助于晶粒结构材料的安全服役.

自然时效态2198铝锂合金板材各向异性晶体塑性有限元模拟

基于电子背散射衍射(EBSD)数据建立了自然时效态2198铝锂合金板材的晶体塑性有限元模型,并利用控制变量法研究了5个塑性基本参数(初始硬化模量、应变率敏感系数、参考应变率、初始临界分剪切应力和饱和流动应力)对塑性变形行为的影响,通过引入代价函数,并对各个塑性参数进行优化,最终得到了能够描述自然时效态2198铝锂合金板材各向异性的塑性参数,所预测的沿RD和TD方向的应力-应变曲线与试验结果符合较好。通过晶体塑性有限元法,预测了自然时效态2198铝锂合金板材单向拉伸过程中晶体取向演变与12个滑移系对塑性变形的贡献。发现(111)[10-1]滑移系对自然时效态2198铝锂合金板材单向拉伸的塑性变形贡献最大。沿RD方向拉伸时,自然时效态2198铝锂合金板材出现强烈的[011]//TD织构。

铝材极板冲压成形晶体塑性有限元仿真分析

为研究双极板微成形过程中的尺寸效应问题,采用多通道结构,选用0.1 mm厚的1060纯铝片作为研究材料,通过Neper软件建立不同晶粒尺寸的多晶Voronoi模型,利用Python脚本为每个晶粒赋予随机取向,以模拟微冲压变形过程。通过晶体塑性有限元仿真成形研究晶粒尺寸对微冲压过程和质量的影响,包括极限成形深度、载荷-行程关系、尺寸精度以及成形厚度分布等方面。研究结果表明:随着晶粒尺寸的增加,板材极限成形深度在减小,最大变形载荷逐渐减小,厚度分布也更加不均匀,尤其是在拐角区域出现最薄的位置。

极薄带异步轧制滑移带演化的晶体塑性有限元分析

以单层晶极薄带轧制为研究对象,采用多尺度晶体塑性有限元方法模拟其在拉-压-剪复合应力状态下的宏观剪切带和微观滑移带演化,优化极薄带材轧制工艺。在微观层次上,每个晶粒被离散成若干个有限元单元,且每个积分点采用单晶体本构模型。宏-微观层次模拟的共同特征是滑移带演化高度的各向异性和局部化,微观层次的模拟更加明显。结果表明:新剪切带随轧制区施加额外剪切变形而形成,在拉-压-剪复合应力下,强剪切造成已缩窄的主次剪切带随轧制压下的增大而又扩展。单系滑移带在各变形晶粒内的演化差异很大,存在主次滑移,随压-剪复合应力状态的增强而形成亚滑移带。在拉-压-剪复合应力下,单滑移扩展和叠加形成贯穿晶界的累积滑移带,晶界起到很好的滑移承载和传递作用。

复合成形轧制铜极薄带变形局部化的晶体塑性有限元模拟

随极薄带厚度的进一步减薄,轧制极薄带变形由于轧件厚度/晶粒尺寸比值小的尺寸效应和变形程度导致各向异性与局部化已完全不同于轧制厚件时的变形特性。采用具有拉拔-压缩-剪切复合成形功能的微型异步轧机开展系列厚度铜极薄带的箔轧实验,结果表明复合成形轧制工艺和极薄带尺寸显著影响轧制力能参数与箔材质量。宏观有限元理论已不再适用出现这些新现象的极薄带轧制变形的建模。将嵌入初始晶粒形貌和取向等微观组织结构信息的介观晶体塑性有限元模型(CPFE)用于复合成形条件下铜极薄带轧制变形局部化的模拟与分析,指导箔轧工艺优化和提高箔材质量。晶粒层次的晶体塑性有限元模型,准确预测了单层晶铜极薄带轧制变形局部化的现象和趋势,模拟与实验的轧制力吻合较好,尤其是各向异性。随上下工作辊异速比的增大,箔材厚度方向剪切变形增强,变形带、滑移带形成且局部化趋势显著。晶粒变形局部化的差异,对轧制制备极薄带材的控形控性造成困难。

一种结合晶体塑性及扩展有限元的短裂纹扩展模拟方法

多晶金属材料的疲劳短裂纹扩展过程受到晶粒尺寸、晶体取向和晶界阻碍等微观组织影响,导致裂纹扩展速率呈现明显的波动特征;在相同应力强度因子下,短裂纹扩展速率比长裂纹扩展速率高,基于长裂纹扩展模型预测短裂纹扩展过程往往得到偏危险的结果。因此,结合晶体塑性与扩展有限元,本文提出了一种反映微观组织影响的短裂纹扩展模拟方法,并通过粉末高温合金FGH96疲劳短裂纹扩展原位试验进行验证。以电子背散射衍射(EBSD)检测结果为输入,建立短裂纹扩展细观有限元模型,表征晶粒尺寸、晶体取向影响;将晶体塑性引入扩展有限元法,基于滑移系本构及塑性切应变率表征晶界阻碍影响。结果表明:该方法可有效描述短裂纹扩展速率的波动特征,短裂纹扩展寿命预测精度得到显著提高。

镁合金变形的晶体塑性有限元分析

晶体塑性理论已被广泛应用于现有的有限元分析中,从微观角度来模拟和预测晶体材料的宏观各向异性力学行为及塑性变形过程中织构的演化与发展。现有的晶体塑性理论框架核心主要基于由滑移引起的塑性变形机制,在预测由滑移和孪晶引起塑性变形的材料力学响应方面还不够完善。本文以具有密排六方(HCP)结构的变形镁合金塑性变形过程为例,综述了以滑移和孪晶为核心的晶体塑性理论的理论研究和应用现状,重点评述了现有孪晶的数值实现方法,并预测了相应理论的发展方向。

基于Voronoi图的晶体塑性有限元多晶几何建模

通常用规则的六边形或四边形等来表示晶粒,不能够反映出晶界的不规则性,本文使用Voronoi方法在大型有限元软件ABAQUS中建立了多晶材料的几何模型,能够表达出晶粒的几何形状与晶界的不规则性;在此基础上提出了一种控制晶粒大小分布及织构的方法,通过调整参数能够建立具有不同晶粒尺寸分布及织构的模型.

板材冲压成形的晶体塑性有限元模拟

将率相关晶体塑性本构理论引入Mindlin曲壳单元模型与动力显式有限元法,采用切线系数法计算剪切应变率,根据晶体取向正态分布规律在单元积分点处分配晶体取向,按各晶体取向体积分数的加权平均计算多晶体应力,开发晶体塑性动力显式有限元程序,实现板材冲压成形过程模拟和晶体取向演化预示。以主要初始织构为铜织构和S织构的轧制铝板为对象,对方盒件冲压成形过程及织构演化进行数值模拟,计算结果与试验结果呈现出较好的一致性。通过晶体弹塑性有限元法不仅可以预示板材宏观成形构形变化,而且能够预测板材织构的演化情况。模拟结果显示在方盒件冲压成形过程中,铜织构和S织构为不稳定取向,变形后逐渐转到其他取向。

金属塑性成形的晶体塑性学有限元模拟研究进展

综述了金属塑性成形过程中晶体塑性有限元模拟的理论背景和应用方面的研究进展,同时总结了国内研究者该领域的研究现状,指出了晶体塑性有限元模拟所要解决的问题及研究重点。晶体塑性理论起源于20世纪20 年代,包括单晶塑性本构理论和多晶塑性本构理论,能够深刻揭示材料变形的规律。与此同时,开始于30多年前的有限元法也已经日益成为求解材料成形理论公式的有效工具。晶体塑性有限元法作为一个强大的模拟工具将二者有机地结合在一起,已经广泛地用于模拟材料的微观结构和各种力学响应,越来越被材料界和力学界的研究者所重视;然而,无论是在理论方面还是应用方面晶体塑性有限元法都还不尽完善。未来晶体塑性有限元模拟的理论研究重点是建立系统的理论架构用于预测由滑移和孪晶引起塑性变形材料的各种力学响应,应用研究重点是运用各种模型模拟其他与织构相关的性能或参数。晶体塑性有限元模拟不仅能够深化人们对材料成形规律的理解, 而且可以不断推进晶体塑性理论的发展。

面心纯铝单向拉伸的晶体塑性学有限元模拟

基于率相关晶体塑性本构模型,实现了晶体塑性学有限元模拟过程。直接将电子背散射衍射(EBSD)获取的晶粒初始取向输入晶体塑性有限元模型,分别预测了单向拉伸面心1050纯铝过程中的力学响应与织构演化。应力应变响应数值模拟结果与实验结果有较好的一致性,同时也存在一定的偏差。两种多晶模型(Taylor模型和有限单元模型)分别模拟了单向拉伸真应变0.25和0.37时的织构演化。随着真应变的增加,两种丝织构(〈111〉织构和〈100〉织构)变得更加锋锐,模拟结果与EBSD实验测得的织构演化结果有较好的一致性。

基于纳米压痕和晶体塑性有限元模拟的先进高强钢力学性能辨识

针对双相钢DP980,采用纳米压痕实验、晶体塑性有限元模拟和基于遗传算法的反分析法,辨识其组成相铁素体和马氏体的细观力学性能。首先借助纳米压痕实验获得两相不同取向单晶的纳米压痕力学数据,通过EBSD和原子力显微镜获得单晶的取向和压痕形貌信息,提取形貌轮廓的特征数据。然后通过CPFEM模拟和反分析方法确定铁素体相和马氏体相<111>{110}和<111>{112}两个滑移系的加工硬化行为和材料参数。通过对比模拟和实验结果,验证了所辨识的滑移系硬化方程和材料参数的可靠性。研究方法亦可以用于其它金属材料的细观力学行为和材料参数的辨识。

纯铝单向压缩过程的晶体塑性有限元模拟

在率相关晶体塑性理论框架下,分别将Taylor模型和有限单元模型两种多晶模型嵌入有限元程序ABAQUS中,实现了纯铝单向压缩过程的晶体塑性有限元模拟。直接将电子背散射衍射(EBSD)获取的晶粒初始取向输入UMAT子程序,预测了单向压缩1050纯铝过程的力学响应与变形织构演化。结果表明:模拟力学响应结果与试验结果有较好的一致性,同时也存在一定偏差。随着真应变的增加,压缩丝织构(<110>织构)趋于锋锐,模拟结果与EBSD试验测得的织构演化结果能较好地吻合。

TA15钛合金高温变形多晶体塑性有限元模拟

通过晶体塑性有限元与电子背散射衍射(EBSD)技术相结合的方法,实现TA15钛合金相变点以上高温压缩变形的晶体塑性有限元模拟。采用元胞自动机方法获得了晶粒的初始形貌,通过用户子程序UMAT将基于率相关晶体塑性本构方程嵌入到软件ABAQUS中。模拟结果显示,TA15合金热压缩变形组织呈明显的形变不均匀特征,模型中晶粒内部应力应变分布不均匀。不同晶粒滑移系的开动不同,即使在同一晶粒内部,也存在滑移系开动不同步的情况。采用电子背散射衍射(EBSD)技术对TA15钛合金的热压缩变形组织的变形不均匀特征进行了验证。

面心纯铝轧制织构的晶体塑性有限元模拟

基于率相关晶体塑性本构模型,分别将Taylor模型和有限单元模型两种多晶模型嵌入大型有限元程序ABAQUS,实现了晶体塑性学有限元模拟.直接将电子背散射衍射(EBSD)获取的晶粒初始取向输入晶体塑性有限元模型,预测了两种不同应变情况下面心1050纯铝轧制织构的演化.模拟结果与EBSD实验测得的织构演化结果有较好的一致性,随着变形程度的增加,预测织构与实测织构变得更加锋锐.经过比较,Taylor型模型预测出了{4411}〈11118〉的Dillamore取向,而有限单元模型预测出了铜型织构取向,比Taylor模型预测结果更接近实验验证结果.两种模型并不能预测出{011}〈211〉黄铜取向、{123}〈523〉S取向、{011}〈100〉Goss取向及其他理想取向.

铜箔轧制滑移系演化的晶体塑性有限元模拟

为了定量描述厚度尺寸对极薄带轧制微观变形不均匀性的影响,采用率相关晶体塑性理论和Voronoi图的多晶模型,考虑试样尺寸,晶体取向及其分布,模拟了不同厚度铜箔在相同压下率条件下的变形行为,得到了在细观尺度上铜箔的微观应力应变和滑移系分布.模拟获得的应力-应变曲线和实验测得的曲线基本一致.通过对20%压下率不同厚度铜箔的轧制变形的研究表明,无论是在晶粒内部还是在晶粒间,材料变形都非常不均匀,主要是由在铜箔厚度方向上只有一层晶粒时,晶粒尺寸、形貌和取向的不均匀分布,近邻晶粒取向差以及滑移系启动特性所引起的.

基于晶体塑性航空钛合金热处理后的性能分析

对TC4钛合金进行不同条件下的热处理,观测热处理后的显微组织。根据金相图提取相关的晶粒数据,结合晶体塑性理论建立不同的TC4钛合金晶体塑性有限元模型,导入Abaqus软件进行双轴拉伸模拟仿真。结果表明:TC4钛合金的双轴拉伸模拟仿真较准确,其应力-应变曲线、伸长率、收缩率预测结果与试验结果一致。材料的各向异性、晶体取向、晶体塑性本构行为对TC4钛合金的弹塑性变形影响明显。

基于晶体塑性模型与内聚力单元模拟的接触疲劳亚表面原奥晶界裂纹萌生

材料在接触疲劳载荷下亚表面裂纹的萌生是其主要损伤模式之一.采用晶体塑性模型耦合内聚力单元,模拟高强钢在滚动接触疲劳载荷下亚表面原奥氏体晶界处的疲劳裂纹萌生.基于内聚力模型的损伤起始准则和疲劳损伤演化规律,并利用USDFLD子程序将内聚力单元的疲劳损伤与晶体塑性模型结合,计算了滚动接触疲劳加载下的损伤随循环次数的累积.对Voronoi模型下的疲劳裂纹萌生进行了模拟,研究了晶体取向对裂纹萌生的影响.结果表明,裂纹的萌生受剪切应力主导,萌生位置在最大剪切应力范围内,模拟结果和试验观察一致.晶粒取向对裂纹萌生位置与萌生寿命有显著影响.

率相关晶体塑性在有限元应用中的关键技术

率相关晶体塑性在有限元应用中存在数值求解稳定性、精度和效率不能兼顾的问题,这是由于其数值化过程中的诸多关键技术相互的制约所致。文章讨论了这些关键技术,指出了建模采用的变形构形和控制方程的主未知量对求解计算的影响,研究了本构计算的隐式和显式算法及数值技巧,并分析了有限元计算过程对本构求解的影响。基于对这些关键技术的研究及对其处理方法的探讨,简要给出了率相关晶体塑性隐式和显式模型及求解算法示例。圆棒料镦粗和杯形件拉深过程模拟研究表明,这些模型和算法能够较好地兼顾计算的稳定性、精度和效率,而且其结果也表明,文章对这些关键技术问题的处理是合理可行的。