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。     

Internal-Atate-Variable Based Constitutive Modeling for Near β Ti-7Mo-3Al-3Nb-3Cr Alloy during Hot Deformation Process

针对近β钛合金提出了一种以位错密度变化率作为内变量的热变形本构模型,该模型同时考虑了溶质元素的固溶强化作用和位错之间的交互作用对流变应力的影响。将该模型应用于一种新型近β钛合金Ti-7Mo-3Al-3Nb-3Cr (Ti-7333),并采用基于目标优化的遗传算法定量确定了Ti-7333合金的本构模型参数。模型计算的结果表明,利用该热变形本构模型计算出的流变应力与实验数据间的平均相对误差为7.2%,采用基于位错密度变化率的近β钛合金本构模型能够有效地表征Ti-7333合金的流变行为     

Hot Deformation Behavior of TB8 Alloy near the β-Transus

通过热模拟压缩试验,对TB8钛合金β相变点附近的高温变形行为进行了研究.热模拟压缩试验的变形温度为650～900℃,应变速率为0.01～10 s-1.通过试验分别得到了TB8钛合金双相区(α+β)和单相区(β)的流变应力曲线,并分别研究了流变应力与变形温度、应变速率和微观组织演化的关系.在10 s-1的高应变速率下,真应力-真应变曲线在850和900℃出现了双峰,这一现象未见报道.通过本构关系推导,得到了TB8钛合金双相区(α+β)和单相区(β)的表观激活能分别为233.0151和197.8987 kJ/mol.另外,建立了TB8钛合金双相区(α+β)和单相区(β)相应的流变应力本构方程.     

Crystal Plasticity Finite Element Simulations for Single Phase Titanium Alloys: Effect of Polycrystalline Aggregate Features on the Mechanical Response

基于率相关晶体塑性理论,以滑移作为主要的变形机制,建立了描述多晶钛合金室温拉伸变形行为的本构模型。并采用三维Voronoi几何模型仿真初始组织创建了多晶集合体。利用该数值模型,探讨了多晶集合体特征对合金宏观力学响应的影响。研究结果表明,多晶集合体三边的尺寸差异将导致集合体的应力应变关系沿3个方向出现各向异性,同时在长度方向上易发生颈缩现象。此外,多晶集合体中的晶粒形貌与取向分布对合金的宏观应力应变响应也有重要的影响。针对单相钛合金建立的晶体塑性有限元模型为钛合金组织控制技术的发展以及加工工艺的优化提供了重要的技术途径。     

基于内变量的Ti555211合金热变形本构模型

利用Gleeble-3800热模拟实验机,在应变速率在0.001~1 s-1以及变形温度在750~950℃范围内对Ti555211合金进行等温恒应变速率压缩实验。本工作基于位错变化密度的内变量方法建立了Ti555211合金热变形本构模型,通过真应力-真应变曲线分析了变形温度和变形速率对流变应力和微观组织的影响规律。结果表明:所建立的本构模型与实验值的平均相对误差为15.25%,相关系数为0.94277,从而为制定新型Ti555211近β钛合金锻造工艺提供科学的理论依据。     

Crystal Plasticity Finite Element Study of Incompatible Deformation Behavior in Two Phase Microstructure in Near β Titanium Alloy

基于晶体塑性模型,研究了近β钛合金中(α+β)两相组织的不协调变形行为。首先,双晶体模型的计算结果表明(α+β)两相组织中的塑性变形是不协调的,而且α相的变形行为与晶体取向和加载方向密切相关。另外,通过耦合三维Voronoi几何模型,探讨了近β钛合金中球状初生α相对宏观力学响应的影响。利用该CPFE-VT数值模型,研究发现α相与β相的不协调变形导致了合金强度随α相体积分数的增加而成线性降低。此外,β基体中α相的分布对合金应力-应变响应也有较大的影响。针对具有两相组织的近β钛合金建立的晶体塑性有限元模型为钛合金组织控制技术的发展以及性能预测提供了重要的途径。