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。     

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。     

Cu极薄带轧制中滑移与变形的晶体塑性有限元模拟

为了定量描述晶粒取向和结构对极薄带轧制微观塑性变形非均匀性的影响,采用晶体塑性有限元方法(CPFEM)和Voronoi图的多晶模型,考虑试样尺寸、晶粒尺寸、晶体取向及其分布,模拟了不同厚度Cu极薄带在相同压下率条件下的滑移与变形行为,得到了介观尺度上Cu极薄带的微观应力-应变和启动滑移系分布.模拟获得的应力-应变曲线和实验测得的曲线基本一致,验证了晶体塑性有限元模型的准确性.通过对40%压下率Cu极薄带轧制变形的研究表明,无论是在晶粒内部还是在晶粒间,材料内部的变形都非常不均匀,这种不均匀性主要是由初始晶粒取向和结构不同、近邻晶粒取向差以及变形时滑移系的运动特性和晶粒旋转不同引起的.滑移系首先在自由表面和晶界处被激活,而后引起晶粒内部滑移系的启动与运动.     

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。     

基于CPRVE模型的304不锈钢极薄箔材参数标定

基于晶体塑性有限元方法 (CPFEM)结合形状因子与临界距离控制生成的三维晶体塑性代表体积单元(CPRVE)模型,模拟了304不锈钢极薄箔材的单轴拉伸过程。将代表性体积单元(RVE)模型的单轴拉伸结果与拉伸实验结果进行匹配,标定了304不锈钢极薄箔材的晶体塑性参数,分析了晶粒个数和晶粒内单元数对RVE模型的影响。结果表明,包含512个随机取向的晶粒,每个晶粒内约有125个单元的RVE模型可以准确地体现304不锈钢极薄箔材的宏观力学性能。使用标定的晶体塑性参数模拟单轴拉伸应变为0. 54时的织构演化,模拟结果与EBSD测得的织构演化结果相吻合,证明了标定的晶体塑性参数的准确性。     

纳米孪晶铜力学性能和尺度效应的研究

采用基于机制的应变梯度塑性的传统理论(CMSG),对具有不同尺寸的铜纳米晶粒及孪晶的应力-应变关系进行了有限元模拟.在分析中提出了孪晶薄层强化带的概念并用粘聚力模型模拟晶界的滑移和分离现象,给出了在单向拉伸条件下不同厚度孪晶薄层和不同材料参数对孪晶铜总体应力-应变关系的影响,同时也给出了晶粒中孪晶薄层取向分布对孪晶铜应力-应变关系的影响.数值模拟结果显示:随着晶粒尺寸和孪晶薄层间距的减小,应变梯度效应逐渐增强,材料强化效果越明显;孪晶薄层的取向分布对材料整体的力学性能有较大影响,并且随着晶粒及孪晶薄层间距的减小,孪晶薄层取向的影响也越来越小.最后,有限元计算结果与实验数据进行了对比分析.     

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.     

化学镀纳米晶铜层的显微组织与腐蚀特性

利用化学镀技术在石英玻璃表面制备了致密光亮的纳米晶铜层。随着化学镀时间由10min延长至60min,铜层平均晶粒尺寸由22nm增大到75nm,(111)晶面织构减弱,表面团簇聚集程度增加。采用极化曲线和浸泡失重实验对比分析了纳米晶铜层和粗晶铜的腐蚀特性。结果表明:在3.5%NaCl(质量分数)溶液中,纳米晶铜层的耐蚀性能较好。腐蚀溶液沿点蚀坑逐渐进入铜层与玻璃基体的界面处,导致铜层脱落失效。在10%NaOH(质量分数)溶液中,纳米晶铜层的腐蚀速率较高,由于应力腐蚀产生大量微裂纹而迅速失效。     

多晶铜压缩过程中晶粒取向演化的塑性理论分析

基于电子背散射分析(EBSD)技术对纯铜柱状晶标定获得的初始晶粒形貌和平均取向,利用晶体塑性理论,建立了基于晶粒真实取向和形貌的多晶塑性有限元模型,模拟了纯铜柱状晶单轴压缩过程中的取向变化,并对形变带形貌进行初步模拟.通过相应的单轴压缩实验获得了取向变化和形变带形貌的实验数据.系统地比较了多晶样品中各晶粒取向演化和形变带形貌的模拟结果和实验结果,得到晶粒取向和微观结构变化的统计性结果.     

钛合金低温超塑性的研究进展

介绍了降低钛合金超塑成形(SPF)温度的三种主要方法,即通过添加氢、细化晶粒、在β相中加入具有高扩散系数的元素均可有效地降低SPF温度,从而利于提高超塑成形的效率及节省能源和降低模具的损耗。同时还介绍了细晶超塑性的变形机理和氢对超塑性的作用机理。最后指出大塑性变形技术和氢处理技术是制备细晶组织钛合金的简单而可行的工艺方法。     

塑性有限元在金属轧制过程中应用的进展

介绍了塑性有限元在金属轧制领域中应用的发展历程和新进展,包括:刚塑性有限元理论及应用研究;弹塑性有限元在轧制过程分析中的进展;用于轧制过程建模的快速有限元;元胞自动机与有限元结合进行轧制过程多尺度综合模拟;利用晶体塑性有限元研究轧制过程中取向织构;轧制过程中裂纹和夹杂物演变的有限元模拟.最后对今后的发展趋势做了展望.     

钛合金低温超塑性的研究进展

介绍了降低钛合金超塑成形（SPF）温度的三种主要方法，即通过添加氢、细化晶粒、在β相中加入具有高扩散系数的元素均可有效地降低SPF温度，从而利于提高超塑成形的效率及节省能源和降低模具的损耗。同时还介绍了细晶超塑性的变形机理和氢对超塑性的作用机理。最后指出大塑性变形技术和氢处理技术是制备细晶组织钛合金的简单而可行的工艺方法。     

轧制镁合金超塑性和超塑胀形

对轧制态MB15镁合金进行了超塑性拉伸实验 ,结果表明 :晶粒尺寸为 5 .9μm的MB15镁合金板材 ,在温度为 5 73K、初始应变速率为 5 .5 6× 10 -4s-1的变形条件下 ,获得的最大延伸率为 30 9% ,应变速率敏感指数为0 .34;当真应变为 0 .3时 ,试样的晶粒尺寸为 4 .5 μm ,说明在拉伸初始阶段轧制镁合金可以获得细晶组织 ,同时发生了部分动态再结晶。利用扫描电镜观察断口发现典型的超塑性空洞形貌特征。通过胀形实验可以看出 ,该镁合金板材的超塑成形性能好 ,具有良好的超塑性成形应用潜力     

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。     

极薄带微轧制中的系列新发现

在对极薄带微轧制的研究中,陆续发现一系列用传统轧制理论不能解释的新现象,如工业纯铜的超延展现象、脆性材料的非典型塑性现象、异种金属多层复合中的变形诱导反应扩散现象等。这些新现象与微成形中的尺寸效应有关,对其进行深入研究,一方面,能够有助于揭示微成形的深层规律,加深对塑性变形本质的认识;另一方面,有助于在微成形领域产生新思路,开发微成形新工艺,促进微成形产品开发,推动微成形技术的进步。     

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。     

层错能对纳米晶Cu-Al合金微观结构、拉伸及疲劳性能的影响

总结了层错能对Cu-Al纳米晶合金微观结构、拉伸性能和疲劳行为的影响.研究表明:随着层错能的降低,材料微观结构的演化逐步从位错分割机制主导转变为孪晶碎化机制主导,导致其平均晶粒尺寸逐步减小,而其均匀微观结构的形成经历先难后易的转变.同时,发现Cu-Al纳米晶合金的强度随层错能的降低得到明显改善,其均匀延伸率存在一最优值,使其均匀延伸率最佳.对不同晶粒尺寸的样品进行力学实验证实,随层错能降低,其强塑性匹配得到明显提升.在循环变形过程中,随层错能降低,晶粒长大导致的微观组织不稳定性和高度应变局部化的剪切带均有明显改善.材料的疲劳损伤微观机制随之从晶界迁移主导的晶粒长大逐步转变为其它晶界行为,如原子重组、晶界滑动和转动等.纳米材料的综合疲劳性能(低周和高周疲劳)随层错能的降低呈现同步提高的趋势.     

细晶超塑性与热处理

在各种类型超塑性中，细晶超塑性是目前国内外研究得最为广泛的一种。获得细晶超塑性的基本条件之一是材料应具有微细等轴晶粒，一般晶粒尺寸应小于10μm，最好在0.5～1．5μm，并应保持等轴状[1，2]。此外，在超塑性温度下，晶粒还应具有较好的热稳定性。而获得这种晶粒与热加工工艺，特别是热处理工艺密切相关。1为什么要获得微细等轴晶粒普遍认为，超塑变形是晶界行为起主要作用。细晶超塑性变形的主要机制是有扩散蠕变、晶内滑移等机制协调的晶界滑移[3]。晶界迁移、晶界滑移有助于在超塑变形过程中的应力松弛，提高塑性，防止裂纹产生…     

晶界对近片层TiAl高温动态力学行为的数值模拟

基于晶体塑性理论,给出了同时考虑位错滑移、形变孪晶和晶界变形的近片层组织TiAl本构模型;在此基础上,建立基于Voronoi算法的近层片TiAl三维多晶有限元模型,并在晶粒交界处引入壳单元来描述晶界;利用上述有限元模型,对不同温度(室温、500和700℃)和不同拉伸应变率(10-3、320、800和1 350 s-1)下近层片TiAl的塑性力学行为进行数值模拟。结果显示:模拟得到的应力塑性应变曲线与试验结果吻合较好,能够反映近层片TiAl在不同温度和应变率下的材料响应;由于晶界的存在,晶粒内的应力分布会发生明显改变,晶界附近产生一定的应力集中。此外,晶界对孪晶存在一定的阻碍作用,使得晶界附近实体单元的孪晶体积分数要略低于多晶整体的平均孪晶体积分数。     

铜包铝复合电力扁排热轧过程温度场的数值模拟

采用刚塑性有限元法,以大型有限元软件DEFORM-3D为分析工具,考虑界面接触传热,对铜包铝复合电力扁排热轧成形过程进行了三维温度场模拟.结果表明:在轧件开始咬入与轧辊接触后,纯铜表面中部的温度先降低后升高,由于纯铜与轧辊的接触传热,轧辊与纯铜的接触部分温度低于铜包铝扁排侧部金属的温度;由于接触摩擦与塑性变形功转化为热量,开始轧制后轧件表面温度有所升高;轧制后铜包铝排铜层表面和铝芯的边部温度高于中部温度,由表及里温度升高;随着压下率的增大,在变形区轧件温度升高幅度增大;随着轧制速度的提高,在变形区铜层和铝芯温度变化更为剧烈,轧制后温降速率减小.