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。     

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.     

初始织构对AZ31镁合金孪生和织构演化的影响

为研究AZ31镁合金变形孪晶和塑性各向异性,基于率相关晶体塑性本构理论,采用有限元方法建立了具有不同初始织构的镁合金模型（包含滑移和孪生变形机制）,并引入孪晶体积分数,研究其压缩过程中织构演变、孪生和力学性能之间的关系。结果表明：晶体的塑性行为在很大程度上取决于初始织构,初始织构的差异导致了压缩行为的明显各向异性,轴向屈服强度和抗拉伸强度高,径向屈服强度和抗拉伸强度低。压缩塑性变形过程中随着变形量的增加,激活孪晶体积分数增高,且径向压缩激活孪晶体积分数越高,轴向压缩激活孪晶体积分数越低。模拟中出现明显孪晶的点与应力突变的点相吻合,当孪晶体积分数达到一定值时,应力发生突变,此时晶体取向发生显著变化,新的滑移系启动,反映了滑移和孪晶机制耦合对AZ31镁合金力学性能的影响。     

基于滑移与孪生镁合金晶体塑性本构模型及微结构关联分析

为了揭示镁合金晶体微结构与孪生变形之间的关联性,采用伪滑移模式描述孪生变形,建立包含滑移与孪生变形机制的晶体塑性本构关系,推导以剪切应变率作为自变量的本构方程牛顿-拉普森迭代式。采用基于体素方法建立的多晶三维微结构有限元模型,对挤压镁合金材料沿挤压方向加载的单轴拉伸和压缩变形行为进行模拟。模拟结果表明,单轴加载下模拟与试验的材料宏观硬化行为基本吻合,及压缩变形的模拟织构演化与试验织构演化也基本趋同。对多晶体内基本物理量的统计分析表明,该模型能够展现多晶内的应力应变、孪晶体分数在空间的不均匀分布特性,而孪晶体分数分布与晶粒尺寸、晶界位向角及晶界倾角等微结构之间缺乏确切的关联性,表明非均匀微结构所导致的独特应力非均匀状态并不是出现孪生变形与微结构强关联性的原因。     

孪晶对多晶铜疲劳行为的影响

对含有高密度孪晶的多晶铜进行了塑性应变幅控制下的疲劳实验.结果表明,塑性应变幅小于8.14×10-4时,孪晶对 疲劳行为的影响不大;塑性应变幅大于8.14×10-4时,孪晶的约束作用、孪晶界与位错的反应及孪晶中位错的特殊组态,使多晶 铜的循环饱和应力提高,硬化曲线中应力饱和平台区延长.     

超声辅助介观尺度纯钛塑性变形晶体塑性数值模拟

纯钛是以孪生为主要变形机制的密排六方金属,塑性变形时需要考虑到孪晶的影响。建立了考虑形变孪晶的晶体塑性有限元模型,模拟超声辅助下的介观尺度纯钛微镦粗时的变形规律。通过模拟结果与试验结果对比,证明了所建模型的合理有效。模拟结果发现随着超声振幅的增大,超声振动辅助介观尺度纯钛变形的应力下降值增大,而0～120 k Hz内超声频率对变形影响不大。超声会使介观尺度材料的形变孪晶体积分数降低,随着超声振幅的增加,形变孪晶体积分数下降值增大。晶体塑性有限元模型比各向同性有限元模型能更合理地反映材料真实变形。     

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。     

面心纯铝单向拉伸的晶体塑性学有限元模拟

基于率相关晶体塑性本构模型,实现了晶体塑性学有限元模拟过程。直接将电子背散射衍射(EBSD)获取的晶粒初始取向输入晶体塑性有限元模型,分别预测了单向拉伸面心1050纯铝过程中的力学响应与织构演化。应力应变响应数值模拟结果与实验结果有较好的一致性,同时也存在一定的偏差。两种多晶模型(Taylor模型和有限单元模型)分别模拟了单向拉伸真应变0.25和0.37时的织构演化。随着真应变的增加,两种丝织构(〈111〉织构和〈100〉织构)变得更加锋锐,模拟结果与EBSD实验测得的织构演化结果有较好的一致性。     

工业尺寸TiAl合金铸锭高温变形行为

采用Gleeble-1500研究了在应变速率为10-3s-1～10-1s-1和变形温度为1000℃～1200℃条件下,真空自耗方法制备180mm直径TiAl合金铸锭的热变形行为,并建立了高温变形的本构方程。结果表明,合金变形的流变应力对温度和应变速率敏感,铸态合金的热变形激活能为335.5kJ/mol,所建立的变形本构方程,可为制定工业尺寸TiAl合金铸锭的热加工工艺提供参考。     

Introducing Grain Boundary Influenced Stochastic Effects into Constitutive Models

Twinning is an important deformation mechanism in hexagonal close-packed (hcp) metals such as Mg, Zr, Ti, and Be. Twinning in hcp materials is a multiscale process that depends on microstructural and mechanical response details at the mesoscale, microscale, and atomic scales. Twinning can generally be understood as a two-step process, a nucleation step followed by propagation. The nucleation of twins is governed by both material details such as the defect configurations at potential nucleation sites within grain boundaries, as well as the highly local mechanical field near grain boundaries. These two factors, the material and mechanical, must align for a successful nucleation event. In this article, we present a stochastic constitutive law for nucleation of twins and describe its implementation into a homogenized crystal plasticity simulation. Twin nucleation relies on the dissociation of grain boundary defects under stress into the required twinning partials. This dissociation is considered to follow a Poisson process where the parameters of the Poisson distribution are related to the properties of the grain boundaries. The rate of the process is a direct function of the local stress concentration at the grain boundary. These stress concentrations are randomly sampled from a distribution calibrated to full-field crystal plasticity simulations.     

Plastic deformation of bicrystals composed of polysynthetically twinned TiAl crystals

Two types of interfaces can be distinguished in TiAl polycrystals: special rotational interfaces on the {111} planes for which the misorientation angles about the normal to the interface plane are multiples of 60°; and grain boundaries in common sense with arbitrary orientations of the boundary plane and rotation axis. The former are the boundaries in the lamellar structure parallel to one of the close packed atomic planes and the latter separate differently oriented colonies of such lamellae. The effect of both these interfaces on the plastic deformation of TiAl intermetallics is discussed. In particular, the lamellar interfaces as strong obstacles for moving dislocations induce a specific type of combined plastic deformation when the glide of ordinary dislocations operates simultaneously with twinning. On the other hand, the grain boundary can affect the dislocation processes at its vicinity by the arising compatibility stresses.     

烧结温度对快速凝固TiAl合金组织及力学性能的影响(英文)

将快速凝固Ti-46Al-2Cr-4Nb-0.3Y(摩尔分数,%)合金薄带破碎成粉末,然后通过等离子烧结(SPS)制备成块体。研究烧结温度对烧结块体的组织和力学性能的影响。在1200℃烧结时得到完全致密的块体。进一步升高烧结温度对合金密度的影响不大,但是对烧结块体的显微组织及相结构有显著影响。烧结块体主要由γ和α2相组成,随着烧结温度的升高,α2相的体积分数降低,块体合金由近γ组织演变为近层片组织,且组织逐渐粗化,但是长大不明显。1260℃烧结得到的块体组织细小、均匀,没有明显微偏析,具有良好的综合力学性能,室温压缩断裂强度和压缩率分别为2984MPa和41.5%,高温(800℃)拉伸断裂强度和伸长率分别为527.5MPa和5.9%。     

Effects of deformation parameters on microstructure and mechanical properties of magnesium alloy AZ31B

Plastic deformation and dynamic recrystallization (DRX) behaviors of magnesium alloy AZ31B during thermal compression and extrusion processes were studied.In addition, effects of deformation temperature and rates on the microstructure and mechanical properties were investigated.The results show that the DRX grains nucleate initially at the primary grain boundaries and the twin boundaries, and the twinning plays an important role in the grain refinement.The DRX grain size depends on the deformation temperature and strain rate The average grain size is only 1 μm when the strain rate is 5 s-1 and temperature is 250 ℃.It is also found that the DRX grain can grow up quickly at the elevated temperature.The microstructure of extruded rods was consisted of tiny equal-axis DRX grains and some elongated grains.The rods extruded slowly have tiny grains and exhibit good mechanical properties.     

TiAl合金全片层组织的热稳定性研究

研究了Al含量、冷却速率和添加硼元素对TiAl合金全片层组织在1150℃的热稳定性的影响。研究表明：Al含量在46％～48％（原子分数,下同）范围的二元TiAl合金的Al含量越高,γ偏析程度越严重,铸造片层组织的热稳定性越差;Ti-48AI合金α单相区固溶处理后炉冷的粗片层组织的稳定性远远优于空冷的细片层组织,空冷细片层组织容易在晶界处发生不连续粗化转变,并且空冷片层晶粒内的魏氏片层（LW）与基体的界面往往与晶界一同成为片层组织发生分解的起始部位;Ti-48A1合金中添加0．8％B因晶界TiB2相的存在能有效抑制细片层组织的晶界不连续粗化,但γ相从TiB2／基体界面和晶界重新形核生长可使片层组织转变为均匀的细晶近γ组织。     

等轴组织α-β钛合金热变形微观组织的表征(英文)

研究等轴组织TC11(Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)合金在两相区980～800℃温度范围和应变速率0.001s-1,0.01s-1,0.1s-1条件下的热变形行为和微观组织演变。分析热力模拟参数对应力—应变曲线和微观组织演变的影响。并采用电子背散射衍射(EBSD)技术测试表征变形组织的晶界特征。研究结果表明:在980℃变形时,β相是主要变形相,发生了不连续动态再结晶;同时,α相经历了变形促进下的聚集粗化(低应变速率)和溶解(高应变速率)的过程,即α相含量和晶粒尺寸随着应变速率的加快而明显减小。在950～900℃,0.001s-1应变速率的条件下发生超塑性变形时,变形主要集中在软的β相,以及相界和晶界处。在850℃时,α相是主变形相,变形微观组织的演变机理是α相的连续动态再结晶,β相起晶界协调变形的作用。     

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。     

Simulation of Microstructure for Hot Pack-Forging of a High Nb Containing TiAl Alloy

利用Deform-3D软件对高铌TiAl合金包套锻造过程中的微观组织演变进行模拟。为得到模拟所需参数,在1100～1250℃和0.001～0.5 s-1的条件下对合金进行了热压缩试验。在所得试验数据的基础上,利用一种间接方法建立了合金的动态再结晶模型,并利用Avrami形式的方程对再结晶分数进行描述。采用Cingara硬化模型及所建立的再结晶分数模型构建了合金的流变应力本构模型。模拟结果显示,由于锻造过程中摩擦的存在、热量的损失以及简单单向镦粗变形的锻造方式,使得坯料中的微观组织分布不均匀。通过模拟结果与实验结果的比较,证明所建立的有限元模型能够有效地预测高铌TiAl合金在包套锻造过程中的组织演变。     

不同微观组织TiAl金属间化合物高温动态力学行为与断裂特性

研究Gamma等轴NG组织和近片层NL组织的Ti-46.5Al-2Nb-2Cr合金在不同温度和应变率下的力学行为和断裂模式,揭示温度和应变率对不同微观组织的力学行为和断裂特性的影响。结果表明,两种微观组织的TiAl合金均与温度和应变率相关,且具有类似的温度和应变相关性：动载下的强度明显高于静载下的强度,但在高应变率范围内（320-1350s-1）无明显的应变率相关性;韧脆转变温度（BDTT）随应变率的增加而升高;等轴组织的TiAl合金的真应力—真应变曲线中可以看到明显的屈服现象,而近片层组织的屈服现象不明显。在韧脆转变温度以下,随着温度的上升,两种组织的TiAl的断裂方式均由穿晶解理断裂转变为穿晶断裂与沿晶断裂的混和模式,最后转变为沿晶断裂方式。