晶体塑性有限元分析开孔对多晶板材力学性能的影响

基于ABAQUS子程序VUMAT二次开发平台,将位错和孪晶的演化过程引入晶体塑性有限元方法(crystal plastic finite element method,CPFEM)中,实现了多晶塑性材料力学行为的有限元模拟,并通过试验和模拟结果的对比,验证了所提出方法和二次开发程序的有效性.应用含孪晶效应的晶体塑性有限元方法模拟分析了孔洞对于板材开孔问题的影响,结果表明:(1)当孔径小于板宽一半时,强度损失采用线性近似估算值是偏于安全的,而超过板宽一半时,不宜采用线性估算值;(2)当孔距较小时,孔径排布方式对开孔板材的韧性以及极限承载力有重要影响,排布方式可分弱影响区、强影响区和过渡区3种模式.对于承受单向拉伸荷载的板材,开孔时应选择沿轴线排布的方式.

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.