晶粒尺寸效应对铜极薄带轧制变形机制影响的模拟研究

采用退火态轧制铜箔为原料,进行晶粒尺寸效应的箔轧实验和晶体塑性有限元模拟。基于率相关晶体塑性理论,开发用户材料子程序(UMAT),建立轧制铜极薄带的晶体塑性有限元模型,改进Voronoi图种子生成的随机性,建立反映晶粒形貌、晶界不规则性的多晶极薄带几何模型,并编写赋予多晶取向的算法,用以控制多晶取向及织构分布,研究晶粒尺寸效应对其变形机制的影响。结果表明:在铜极薄带中尺寸较小晶粒中产生的剪切带相对于尺寸较大晶粒中产生的要均匀,可较好地减小变形局部化;不同晶粒尺寸铜极薄带的滑移系启动和累积滑移存在显著差异,启动的滑移系随晶粒尺寸的减小而增多;表层晶粒和内部晶粒的约束差异导致变形后晶粒取向主要绕横向(TD)进行旋转,旋转角度和极点分散度随晶粒平均尺寸的减小而减小。箔轧实验和模拟得到的轧制力-晶粒尺寸曲线基本一致,即晶粒取向对轧制力的影响随晶粒平均尺寸的减小而减弱。     

极薄带轧制过程的晶体塑性有限元分析

极薄带轧制过程中,当轧件厚度降低到与晶粒尺寸同一量级时,其变形在很大程度上受到晶粒形态和取向等内部组织状态的影响,传统塑性理论不能直接用于微观塑性成形的分析。介绍了采用晶体塑性有限元方法对极薄带轧制过程所做的研究,如轧件厚度和晶粒尺寸对轧制变形的影响、塑性变形时滑移系的激活和运动等。     

基于晶体塑性有限元模型的异步轧制纯铜箔变形行为晶粒统计效应（英文）

采用一种真实的多晶集合体模型和晶体塑性有限元模型,研究异步轧制纯铜箔塑性变形晶粒统计效应。考虑局部硬化耗散作用,根据取向分布函数在取向空间中的分布规律将晶体取向分配给各个晶粒的单元积分点,建立弹塑性大变形条件下的相关多晶体塑性模型,并将其引入隐式有限元法。对非均匀材料流动、铜箔厚度一定时接触压力和轧制力随晶粒尺寸增加而降低的变形行为进行研究。结果表明,在箔材厚度方向上只有少数几个晶粒时,晶粒尺寸、形貌和取向不再均匀分布于箔材中,材料的变形行为主要受到单个晶粒变形行为的影响,从而导致非均匀变形及模拟和实验结果更加离散。研究变形过程中滑移系的启动过程,晶粒取向对滑移系的启动和滑移带的形成具有重要影响,预测结果与表面层模型一致。随着晶粒尺寸的增加,表层晶粒效应增大,更加有利于降低轧制力和激活表层晶粒内滑移系的开动。通过箔材轧制实验和模拟,可以更加深入地理解异步轧制极薄带微塑性变形的机理。     

轧制单层和少层晶铜箔塑性各向异性的晶体塑性有限元模拟

采用具有拉拔?压缩?剪切复合成形功能的微型异步轧机,对厚度方向具有单层和少层晶结构的铜极薄带开展箔轧实验.基于晶体塑性有限元理论,模拟分析复合轧制单层和少层晶铜极薄带的塑性各向异性行为.将单层和少层晶铜极薄带的初始织构和晶粒形貌输入晶体塑性有限元模型,分析极薄带轧制成形中晶粒层次的滑移启动、定量应变演化以及变形局部化现...     

介观尺度上热变形奥氏体储存能演化的计算机模拟

为了定量描述热变形奥氏体在介观尺度上微观变形的非均匀性,采用晶体塑性有限元方法(crystal plasticity finite element method,CPFEM)模拟了C—Mn钢在不同变形条件下的变形行为,得到了在介观尺度上奥氏体的微观应力应变和变形储存能分布．模拟所得到的应力一应变曲线与文献测定的应力一应变曲线基本一致．通过对真应变为0．5,变形速率为50s^-1的热变形奥氏体的研究发现,即使在外部的均匀变形条件下,无论是在晶粒内部还是晶粒间,材料内部变形都非常不均匀．这种变形不均匀性主要是由晶粒的初始取向不同,近邻晶粒的取向差,以及变形时滑移系的运动特性不同所引起的．本文定量描述了介观尺度上奥氏体变形储存能不均匀分布,为结合介观尺度组织模拟,实现组织演变的多尺度耦合计算提供了参考．     

316LN不锈钢混晶组织微区不均匀塑性变形研究

针对核电主管道用钢316LN经常出现的混晶组织,通过实验与晶体塑性有限元分析了混晶组织的晶粒尺寸、取向等微观组织对微区塑性变形特点的影响规律。应用数字图像相关法(DIC)实验定量获得了6%变形条件下的微区变形分布,验证了晶体塑性有限元模型的正确性。通过大变形实验获得了晶粒变形结果和滑移带分布,并用晶体塑性有限元模拟再现了微区变形的不均匀性。研究发现,混晶组织的塑性变形是非常不均匀的,细晶组织具有明显的应力应变集中现象,并发生更明显的晶体转动,而粗晶的整体变形则相对较小,但局部区域亦表现出明显的应变集中和滑移带聚集。     

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.     

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。     

孪生诱发软化与强化效应的Cu晶体塑性行为模拟

基于晶体塑性理论,考虑孪生软化效应建立了描述孪晶形核、增殖和长大的位错密度基晶体塑性有限元模型。应用该模型揭示了不同晶体取向Cu单晶拉伸变形过程中位错滑移、孪生激活及其交互作用下的宏观塑性行为演化规律,进一步分析了Cu多晶拉伸变形过程中晶粒间交互作用对孪生软化、应变硬化等宏观塑性行为的影响。结果表明：孪生具有明显的取向效应,在孪生主导塑性条件下,Cu单晶塑性变形过程中孪晶增殖导致应力-应变曲线存在明显的应力突降现象,其塑性变形分为滑移、孪生及位错与孪晶交互作用3个阶段;此外,随着饱和孪晶体积分数增加,Cu单晶塑性变形过程中第3阶段的应变硬化率也随之提升。进一步模拟Cu多晶拉伸变形的塑性行为可知,在晶粒间交互作用下孪晶形核、增殖和长大过程中不会出现应力突降现象,与Cu单晶相比整个塑性变形过程具有更高的应变硬化率;Cu多晶塑性变形过程中位错密度在晶界处出现集中现象,孪晶也容易在晶界处形成。     

孪生诱发软化与强化效应的Cu晶体塑性行为模拟

基于晶体塑性理论,考虑孪生软化效应建立了描述孪晶形核、增殖和长大的位错密度基晶体塑性有限元模型。应用该模型揭示了不同晶体取向Cu单晶拉伸变形过程中位错滑移、孪生激活及其交互作用下的宏观塑性行为演化规律,进一步分析了Cu多晶拉伸变形过程中晶粒间交互作用对孪生软化、应变硬化等宏观塑性行为的影响。结果表明：孪生具有明显的取向效应,在孪生主导塑性条件下,Cu单晶塑性变形过程中孪晶增殖导致应力-应变曲线存在明显的应力突降现象,其塑性变形分为滑移、孪生及位错与孪晶交互作用3个阶段;此外,随着饱和孪晶体积分数增加,Cu单晶塑性变形过程中第3阶段的应变硬化率也随之提升。进一步模拟Cu多晶拉伸变形的塑性行为可知,在晶粒间交互作用下孪晶形核、增殖和长大过程中不会出现应力突降现象,与Cu单晶相比整个塑性变形过程具有更高的应变硬化率;Cu多晶塑性变形过程中位错密度在晶界处出现集中现象,孪晶也容易在晶界处形成。     

耦合孪生的TWIP钢单晶体塑性变形行为模拟研究

基于晶体塑性理论,建立了滑移和孪生机制耦合的孪生诱导塑性(TWIP)钢单晶晶体塑性本构模型,通过引入孪晶体积分数及其饱和值,分别考虑了孪生对硬化及滑移的影响,对该本构模型进行数值实现.并通过ABAQUS/UMAT平台上的二次开发,将其应用于TWIP钢单晶典型取向单向加载条件下的力学行为模拟.分析了单晶不同取向下塑性变形的微观机理和滑移系、孪生系的启动状态及其对宏观塑性的影响,尤其是模拟得到黄Cu取向和S取向加载过程的应力突变,再现了Cu单晶实验中的应力陡降现象.结果表明,孪晶体积分数较小时,对应变硬化影响较小;随着孪晶体积分数的增加,对应变硬化的影响逐渐明显;当孪晶体积达到一定量时,孪晶体积达到饱和,孪生增量为0,晶体滑移转向,新的滑移系启动,应力突降.     

TA15钛合金高温变形过程的介观模拟计算

以多晶体位错滑移及塑性流动机制为基础,探究了TA15钛合金在高温变形过程中介观层次上形变不均匀性和力学响应。基于率相关晶体塑性理论,建立了描述体心立方结构金属力学行为的本构模型,同时考虑了主滑移系和次滑移系的运动;确定了合理的材料本构参数,高温压缩实验与模拟得到的真应力-应变曲线基本一致。通过对TA15钛合金高温变形模拟结果进行分析,包括应力和应变分布、滑移系开动情况和晶界面积变化,得出:(1)由于晶粒几何及取向的随机性造成应力和应变分布非均匀性;(2)晶粒间相互作用的复杂性会导致各个滑移系开动的差异性;(3)形变程度越大,晶粒密度越大,晶界面积变化率越大。模拟结果为相变等显微组织演变及多尺度同步耦合提供了参考。     

纯钛晶粒间反应应力对低轧制变形量取向变化的影响

用扫描电镜和背散射电子衍射技术观察了低轧制变形量工业纯钛晶粒取向与形状的变化,统计观测分析了变形过程中实际开动的滑移系,研究了变形过程中晶粒间的力学交互作用及其对滑移系开动和取向演变的影响。用Sachs模型和反应应力模型(RS模型)模拟计算了晶粒变形过程中开动的滑移系及取向的演变。结果显示,工业纯钛多晶体中各晶粒的塑性应变并不符合Taylor变形原则,Sachs模型能够部分地揭示滑移系的开动过程和取向演变的趋势。晶粒的塑性变形不仅取决于外应力的作用,晶粒间的反应应力也会对滑移系的开动和取向演变产生重要影响。采用基于晶粒间交互作用的反应应力模型可以更全面的揭示滑移系的开动过程,更准确的预测变形后的晶粒取向。晶粒间反应应力的高低受多种因素影响,其中,晶粒自身取向及其与周围晶粒取向关系对反应应力大小有重要影响。     

取向与晶界对γ-TiAl双晶塑性行为影响的CPFEM模拟

基于晶体塑性理论和有限元方法,利用ABAQUS/UMAT二次开发接口,采用FORTRAN语言开发γ-Ti Al合金晶体塑性本构关系子程序,建立综合考虑位错滑移、形变孪晶和晶界效应的γ-Ti Al合金双晶体模型,模拟常温下不同晶粒取向差(2°、5°、8°、30°、45°和60°)与晶界效应对γ-Ti Al合金塑性变形的影响。结果显示:晶界的存在和晶粒取向差异会导致双晶体变形的不均匀性,在晶界处出现应力集中现象,且晶界区域表现出与晶粒内部区域不同的力学性质。晶界区域的受力状态受到相邻晶粒的影响,晶界角度较小时,两个晶粒滑移系的累积剪切变形较为协调,双晶体整体的塑性变形较为均匀。     

应变梯度塑性理论模拟晶粒尺寸对铝多晶体强度的影响

采用经典塑性理论与基于微观机制的应变梯度（MSG）塑性理论对不同晶粒尺寸铝多晶的应力-应变关系进行了模拟分析,结果表明：基于微观机制的应变梯度本构方程所得的应力-应变曲线中,随着晶粒尺寸的减小,塑性应变功明显增加．晶粒直径为20μm的应力-应变曲线稍高于经典塑性理论得到的曲线,这进一步说明随着晶粒尺寸的增大,应变梯度的贡献逐渐减小,同时计算所得的屈服强度与晶粒尺度关系拟合的直线与铝晶体的Hall-Petch直线比较吻合。     

AZ31镁合金棒材循环扭转过程中的力学性能和织构变化

对AZ31镁合金挤压棒材在循环扭转变形过程中的力学性能和织构演化进行了研究。循环扭转变形分别在298,373,443,503和573 K下进行。镁合金循环变形的力学性能测试结果表明,循环扭转变形过程的应力应变滞回线呈现严格的对称性,意味着微观变形模式以滑移为主。变形过程的热效应使应力应变曲线中的峰值应力随着周期数的增加而降低。变形过程中柱面滑移系启动使晶粒取向发生改变,由变形前的{11■0}⊥ED织构转变为变形后的{10■0}⊥ED织构,变形过程中拉伸孪晶启动使晶粒取向产生两种变化。     

纯铜双晶体拉伸变形的介观力学分析

利用介观力学观察设备对Cu双晶拉伸变形行为进行了研究.结果表明,在双晶体变形过程中,取向不同的晶粒滑移方式和形变量等都不同,软取向的晶粒变形较快、变形量大,并对其它晶粒的变形产生影响.不利取向的晶粒首先在晶界附近出现无滑移区,随外应力增加出现次滑移以协调变形.云图分析表明,变形过程中晶界处有明显的应变集中.在变形过程中产生了亚晶粒.能量分析表明,变形过程中晶粒储能的升高足以引发新晶粒的生成.     

梯度结构特征对梯度纳米晶Cu力学行为影响的有限元模拟

采用晶体塑性有限元方法，对具有不同晶粒尺寸梯度结构特征的梯度纳米晶Cu的力学行为、应变场和应力场进行了计算分析。结果表明，当晶粒尺寸分布的梯度率n=1时，即晶粒尺寸分布梯度满足线性关系，平衡了强度和塑性两个关键的力学性能指标，梯度纳米晶Cu具有最优的强塑性匹配。梯度纳米晶Cu在变形过程中，粗晶承担了较大的应变，而细晶粒承载了更大的应力。此外，当梯度率n=1时，梯度纳米晶Cu在塑性变形中具有最大的应变和应力梯度，而且体系达到稳定的应变和应力梯度较晚。模拟结果与理论分析和实验结果一致。     

Cu/Ti纳米层状复合体塑性变形机制的分子动力学模拟研究

利用分子动力学方法对具有特征晶体取向的Cu/Ti层状复合体在单轴拉伸和平面应变压缩2种变形过程中的微观力学行为进行了研究。模拟结果显示,拉伸载荷作用下,位错优先在Cu/Ti异质界面处形核并沿着{111}晶面向Cu层内部运动,变形机制为层内约束滑移。随着位错的增殖,位错之间发生交互作用并在Cu层内形成插入型层错和形变孪晶。而在此形变过程中Ti层内未发现塑性变形系统的启动。随着载荷继续增大,Cu/Ti界面处的应力集中导致复合体发生断裂。在平面应变压缩变形的模拟中,发现Cu/Ti界面处的应力集中促使Ti层中形成剪切带,剪切带内部及其近邻区域仅存在少量位错。随着外加应变增大,多种变形机制的共同作用引起晶粒旋转,同时复合体内的原子无序度增加。此外,不同初始取向和不同应变速率下的Cu/Ti复合体的微观塑性变形机制和力学性能存在显著差异。研究结果揭示了包含有密排六方金属层状复合材料的微观形变机制。     

基于微观结构-力学行为一体化计算的搅拌摩擦焊接数值模拟

采用Monte Carlo模型对6005A-T6铝合金在不同焊接速度下接头位置焊核区晶粒生长进行模拟。在此基础上,建立了不同焊接速度下的晶体塑性力学模型,对不同焊速下焊核区的力学行为进行预测,并将屈服强度预测值与文献试验值进行对比,验证了本方法的有效性。通过Monte Carlo和晶体塑性力学模型,建立了搅拌摩擦焊接微观结构-力学行为的一体化数值模拟计算方法,计算结果表明屈服强度最高时内部晶粒的变形更加均匀,应力分布的均匀性最好。并分析了多晶体内部滑移系的开动情况对Mises应力、剪切应力和剪切应变产生的影响,以及不同焊速下焊核区的累积剪应变对裂纹萌生位置的影响。