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.

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。

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。

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.

有限晶体中的电子态

传统的固体物理中的电子态的理论实质上是无限晶体中的电子态的理论 .但是任何真实晶体的尺寸都是有限的 .文章简单介绍了作者最近提出的有限晶体中的电子态的理论的一些背景材料和主要的新结果 .

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。

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。

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.

有限元多晶体模型模拟铝板多点成形过程

采用有限元多晶体模型对板材多点成形过程进行了数值模拟研究 .利用开发的FEPM软件系统 ,预测出典型曲面铝板多点模成形结果 ,给出无弹性垫和使用弹性垫两种变形条件下的等效应力场、等效应变场和平均应力场等 。

基于多晶体塑性模型的纯铜轧制有限元模拟

以晶体塑性有限元理论为基础,在有限元软件ABAQUS中通过Voronoi图的多晶模型对不同初始取向的两种多晶纯铜试样轧制后的变形进行了分析。结果表明,轧制后多晶纯铜试样中晶粒自身的变形与其内部的应力、应变都不均匀,且与其取向、大小、形状及晶粒间的相互作用相关。

有限变形条件下多晶体弹-塑性有限单元法

根据由考虑面心立方晶体滑移特性而建立的矩阵形式的晶体弹塑性本构方程，以及滑移的泛函式，推导出了大变形条件下的晶体弹－塑性有限单元法的计算公式，并绘制了程序框图。对双晶铝试样采用八结点六面体等参单元进行了有限元计算，结果证明该方法是可行的。

多晶体、大变形的本构理论的晶体弹—塑性有限单元法

由面心立方晶体滑移特性而建立的矩阵形式的晶体弹塑性本构方程,根据滑移的泛函式,推导出了大变形条件下的晶体弹—塑性有限单元法的计算公式,并绘制了程序框图,对双晶铝试样采用八结点六面体等参单元进行了有限元计算,结果证明该方法是可行的。

材料微结构三维建模及其晶体塑性有限元模拟

采用Voronoi图,生成具有随机晶粒形状的三维多晶集合体模型,并赋予每个晶粒相应的取向。基于率相关晶体塑性理论,开发了用户材料子程序,并将其嵌入有限元软件中模拟面心立方多晶集合体在单轴单向拉伸过程中的应力-应变响应,分析了网格细化及晶粒取向对模拟结果的影响。研究表明,随网格细化应力值有所降低,但变化不大,为保证结果的可靠度,平均每个晶粒离散的单元数目在5个以上;随多晶集合体中晶粒数目的增加,由于取向的随机性产生的应力-应变的差异逐渐减小,模拟时多晶集合体中晶粒的数目大于50个;模型较好的反映了材料的真应力随应变速率增加而增大的规律,且模拟结果和实验结果吻合良好,说明该模型具有较高的可靠性。

材料三维微结构表征及其晶体塑性有限元模拟

材料的力学性能,尤其是在有限变形下所呈现的宏观各向异性,是材料结构设计和服役寿命考虑的关键因素。由于宏观模型不能较好地反映材料微观结构(晶粒的形貌和取向等)对宏观塑性各向异性的影响,因此,本文建立了能实际反映晶粒形貌的三维Voronoi模型,并基于晶体塑性理论对铝合金在有限变形下的响应进行计算。首先,建立反映材料微结构的代表性体积单元RVE模型进行计算,并与实验结果进行对比验证。然后,以单向拉伸为例,分析了有限变形过程中试件的晶粒形貌和取向分布等微观因素对宏观各向异性演化的影响,并从材料和结构两个层面讨论了微观结构对宏观力学性能的影响。结果表明,本文模型能够反映微观结构对宏观力学性能的影响,为实际生产制造领域构件的力学性能提供可靠的预测。

晶界对γ-TiAl多晶体压缩性能影响的晶体塑性有限元模拟

采用三维Voronoi方法建立了γ-Ti Al多晶体模型,利用晶体塑性有限元模拟研究了含5种相对取向晶界:Σ3(111)60°、Σ5(210)36.9°、Σ9(221)90°、Σ11(311)50.5°和Σ13a(320)22.6°的γ-Ti Al多晶体压缩变形行为。模拟结果表明,晶界影响多晶体压缩时的应力分布情况和滑移系启动情况。Σ3(111)60°和Σ11(311)50.5°晶界处出现较明显的应力集中现象,晶界处启动的滑移系数量较少,且均为超滑移系。Σ5(210)36.9°、Σ9(221)90°和Σ13a(320)22.6°晶界处没有明显的晶界集中,Σ5(210)36.9°和Σ13a(320)22.6°晶界处有普通滑移系启动,Σ9(221)90°晶界处启动的滑移系数量最多。研究表明,Σ3(111)60°和Σ11(311)50.5°晶界不利于γ-Ti Al多晶体的塑性变形,Σ5(210)36.9°、Σ9(221)90°和Σ13a(320)22.6°晶界对于γ-Ti Al多晶体的塑性变形更为有利。

高温、高压、高应变速率动态过程晶体塑性有限元理论模型及其应用

对于高温、高压、高应变速率加载条件下的材料冲击变形行为,动态晶体塑性模型能够直接反映晶体中塑性滑移的各向异性及其对温度、压力和微观组织结构的依赖性,因而广泛应用于材料的动态冲击力学响应、微观结构演化以及动态损伤破坏的模拟。本文综述了高压冲击下动态晶体塑性有限元的理论模型,主要包括变形运动学、包含状态方程的超弹性本构模型和晶体塑性本构模型,涉及位错滑移、相变、孪生等塑性变形机制,以及层裂、绝热剪切带等动态破坏方式。

铁素体不锈钢成形过程表面起皱的晶体塑性有限元分析

为研究取向晶粒簇对铁素体不锈钢成形表面起皱的影响,采用有限元软件ABAQUS构建有限元模型,通过UMAT子程序编写多晶体塑性变形本构方程。首先,对CHAO H C、TAKECHI H和WRIGHT R N等提出的经典理论模型进行了晶体塑性有限元计算,发现在变形过程中不同取向晶粒簇处的正应变E33和剪切应变E13不同,进而形成表面条纹褶皱。其次,将EBSD测试获得的代表性晶粒簇引入模型中,计算发现相对于具有<001>//ND织构取向的单元,具有<111>//ND织构取向的单元变形时沿着ND方向收缩量更小,且在剪切应变的作用下发生了扭转,形成波浪起伏的变形表面。通过对比具有取向晶粒簇和随机取向模型变形后的表面轮廓,进一步证实了晶粒细化和削弱铁素体不锈钢板的取向晶粒簇将有利于降低其成形过程的表面起皱。

考虑位错密度和损伤的NiCoCrFe高熵合金晶体塑性有限元分析

结合实验和晶体塑性有限元方法研究准静态加载NiCoCrFe高熵合金有限变形过程中的宏观和微观力学响应、损伤行为以及微观结构演化。使用电子背散射衍射技术(EBSD)对拉伸实验变形前后NiCoCrFe的微观结构进行表征。通过修改强化模型和流动准则分别在CPFEM模型中引入位错密度内部状态变量和连续介质损伤因子,并结合拉伸实验应力-应变曲线确定NiCoCrFe相关的模型参数。结果表明:考虑位错密度和损伤的CPFEM模型可以有效地描述NiCoCrFe宏观和微观力学响应。CPFEM模型合理预测NiCoCrFe颈缩区域的变形形状和尺寸,其中实验获得的颈缩区域长度比预测结果小7%,CPFEM预测的颈缩区域宽度比实验结果大23%。CPFEM模型预测NiCoCrFe拉伸变形后的织构演化同EBSD表征结果大致相同,均表现为弱的(100)∥RD以及强的(111)∥RD纤维织构。在三维微观结构损伤分析中,CPFEM模型预测的损伤在应力集中以及位错密度集中的晶界处萌生,表现为晶间损伤机制,并且随着变形的增加损伤逐渐向晶粒内部扩展。

考虑位错硬化效应的P92钢晶体塑性模拟研究

基于晶体塑性理论,建立了考虑位错硬化效应的P92耐热钢晶体塑性有限元模型。应用模型模拟了P92钢在拉伸过程的塑性变形行为,进一步探究了不同滑移系开动对塑性变形的影响。结果表明:P92钢变形后应力应变、位错密度和形变储存能呈现不均匀分布,证实晶粒发生不均匀的塑性变形。其中位错运动是塑性变形的载体,在晶界处存在位错塞积导致应力应变集中和形变储存能升高;同时塑性变形受滑移系开动的影响,对比模型在不同滑移系统开动下的拉伸曲线,得出{110}<111>作为主滑移系统在单轴拉伸变形过程中起决定性作用。

晶体塑性有限元在材料动态响应研究中的应用进展

作为连续尺度上描述各向异性非均质材料弹塑性变形的重要模拟工具,晶体塑性有限元能够有效预测材料的宏观力学性能,在工程设计方面起着重要的作用。在实际工程应用中,许多晶体材料在高应力、高变形率、高温等极端条件下服役,此时各向异性非均匀的微介观结构演化是理解材料动态响应的关键,这给晶体塑性有限元带来了巨大的机遇和挑战。首先简要综述了晶体塑性有限元的原理和方法,然后着重介绍其在材料动态响应中的应用,最后展望其在材料动态响应模拟方面的发展方向。