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。     

拉伸取向控制对AZ31镁合金孪生和织构演化的影响

以室温单轴拉伸实验与晶体塑性有限元相结合的方法,通过拉伸取向控制,研究了AZ31镁合金拉伸变形过程中孪生行为、织构演化规律、塑性各向异性之间的关系。基于率相关晶体塑性本构理论,建立了滑移和孪生机制耦合的具有不同取向的晶体塑性本构模型,引入孪晶体积分数研究孪生对AZ31镁合金塑性变形过程中织构演变和力学性能的影响。结果表明,2种不同取向的样品在塑性变形过程中呈现出明显不同的织构演变规律,表现出明显的各向异性。轴向拉伸时孪生被抑制,孪晶激活体积分数低,径向拉伸时孪晶极易产生,孪晶激活体积分数高。轴向试样在整个塑性变形过程中{0001}极图偏移较小,径向试样因大量拉伸孪晶的开启,使得{0001}棱柱面织构的极密度逐渐向RD的正反方向发生明显偏移。     

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.     

预压缩-反向拉伸加载路径下镁合金AZ31轧制板材的孪生-退孪生行为

为了定量研究孪生和退孪生行为在镁合金塑性变形中的作用，开展了镁合金AZ31板材沿轧制方向单调拉伸、单调压缩及预压缩-反向拉伸下的宏观力学行为及微观EBSD试验，并基于考虑孪生-退孪生行为的弹黏塑性自洽模型(EVPSC-TDT)，模拟预测了镁合金板材的宏微观塑性变形行为。结果表明：随着压缩量的增大，(0002)极图在RD附近的强度值逐渐增大，孪晶体积分数增加；反向拉伸时，RD附近的强度值逐渐减弱，孪晶体积分数降低；当反向拉伸量与预压缩量相同时，孪晶体积分数几乎减小到0，几乎所有晶粒c轴均转动至ND方向；随着预压缩量的增加，位错密度逐渐提升，增强了对滑移和孪生的阻碍作用，导致反向拉伸时的屈服应力随着预压缩量的增加而增大。反向拉伸初始阶段各滑移-孪生系的开启率相似，表明拉伸阶段的屈服应力与压缩后各滑移和孪生系的硬化有关；EVPSC-TDT模型可准确预测镁合金在以孪生-退孪生为主导的变形模式下的宏观力学行为、织构演化规律及孪晶体积分数。     

AZ31镁合金板材冲压成形制耳的晶体塑性模拟

针对AZ31镁合金板材深冲过程中的制耳现象,提出一种基于晶体塑性理论的镁合金板材冲压制耳行为的预测方法。首先,从镁合金温成形时的塑性变形机理(即滑移和孪生共同作用)出发,建立耦合滑移和孪生的适合密排六方结构(HCP)金属的晶体塑性本构模型;在此基础上,编制相关程序,通过结合理论、模拟和实验的方法确定镁板微观变形机制组合和多晶体模型参数两个关键因素,构建了适用于镁合金板材大变形的晶体塑性有限元仿真模型;最后,采用HCP板材大变形晶体塑性有限元模型对AZ31镁合金板材的杯形件冲压过程进行有限元仿真,并利用实验结果从制耳轮廓和变形织构两方面验证HCP晶体塑性理论预测冲压制耳的准确性。实验与模拟结果均表明,冲压杯形件呈现出显著的偏离轧向45°制耳轮廓以及(0001)1010织构组分和拉伸孪晶组分。     

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。     

挤压态AZ31镁合金的拉压不对称性及微观组织

在考虑滑移和孪生两大塑性变形机制的基础上,通过修正的粘塑性自洽（VPSC）模型,模拟挤压态AZ31镁合金轴向拉-压过程中的力学行为及微观组织。结合EBSD实验与模拟,分析了不同变形机制对初始挤压态丝织构镁合金产生拉压不对称的机理以及塑性变形过程中的微观组织。结果表明,轴向拉伸变形初期以基面滑移系为主,由于基面滑移的施密特因子较低,导致屈服应力较高;随着应变的增加,棱柱面滑移成为主导变形机制,应变硬化率降低,应力-应变曲线较平稳;轴向压缩变形初期,临界剪切应力较低的拉伸孪晶大量开启导致屈服应力较低;随着拉伸孪晶相对活性的快速降低,应变硬化率迅速提高;轴向压缩后期,随着应力的持续升高,压缩孪晶开始启动,塑性变形积累的应力得到释放,导致应变硬化率降低。另外,从典型晶粒的颜色和孪晶迹线方面解释了沿ED方向压缩时孪晶体积分数较小的原因。     

挤压态ZK60镁合金室温拉-压不对称性研究

基于室温轴向拉伸和压缩实验研究了挤压态ZK60镁合金的拉-压不对称性.通过修正黏塑性自洽模型,建立了耦合滑移和孪生的晶体塑性力学模型,模拟了挤压态ZK60镁合金轴向拉、压力学行为,分析了基面、柱面、锥面滑移及{1012}1011拉伸孪生和{1011}1012压缩孪生在塑性变形过程中的激活及演变情况.结合实验与模拟,从微观塑性变形机制角度分析了具有初始挤压态丝织构的镁合金产生拉-压不对称性的机理.结果表明:轴向拉伸过程中拉伸孪生和压缩孪生都较难激活,变形初期以基面滑移为主,由于基面滑移取向因子较低,导致屈服应力较高;随着晶粒转动,基面滑移分切应力降低,应力逐步升高,变形机制转为以柱面滑移为主,辅以锥面c+a滑移,应变硬化率较低,应力-应变曲线较平稳.轴向压缩前期,临界剪切应力较低的拉伸孪生大量激活,导致屈服应力较低;应变达到6.0%后拉伸孪生逐渐饱和,相对活动量快速降低,硬化率迅速提高,由于大量孪晶界对位错滑移形成阻碍,滑移机制未出现大量激活;轴向压缩后期,随着应力的持续升高,压缩孪生启动,相对活动量迅速上升,塑性变形积累的应力得以释放,硬化率降低.因此,挤压丝织构状态决定了镁合金在室温轴向拉、压变形过程中的变形机制存在明显区别,从而导致挤压镁合金产生显著的轴向拉-压不对称性.     

Mg-5.6Gd-0.8Zn合金多向锻造过程中的变形机制及动态再结晶

以含长周期堆垛有序(LPSO)相的Mg-5.6Gd-0.8Zn(质量分数,%)合金为研究对象,分析了合金多向锻造过程中的变形机制、动态再结晶及显微组织演变。结果表明:变形初期,■拉伸孪生仅在部分晶粒中激发;随锻造方向的改变,不同晶体取向的晶粒能够激发孪生变形,孪生体积分数增加,孪生变体选择符合Schmid定律。孪生受阻碍的晶粒通过滑移及扭折协调变形,扭折带类型主要为转轴分布在■晶向的基面扭折。多向锻造过程中,晶界处优先发生动态再结晶;随着变形量的增加,晶界处再结晶体积分数增大,晶内孪晶与扭折界面诱发再结晶,孪晶逐渐演变为条带状细晶组织。在孪晶、扭折带切割晶粒,晶界再结晶,孪晶、扭折带诱发再结晶多重机制的共同作用下,原始粗晶组织得到了显著细化。     

含有{111}织构的纳米孪晶多晶铜在拉伸变形过程中塑性各向异性机制的分子动力学模拟

基于分子动力学模拟,从主导滑移系的斯密特因子和位错机制两个方面系统研究含有{111}织构的纳米孪晶多晶铜在拉伸变形过程中的塑性各向异性机制.结果表明:主导滑移系的斯密特因子随着孪晶界倾角的改变而变化,但屈服应力或流动应力并不严格遵守斯密特定律.在拉伸变形过程中存在涉及不同位错机制的硬取向和软取向.硬取向的硬化机制在于塑...     

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。     

A probabilistic crystal plasticity model for modeling grain shape effects based on slip geometry

A new statistical theory is introduced that takes into account the coupling between grain size, shape and crystallographic texture during deformation of polycrystalline microstructures. A “grain size orientation distribution function” (GSODF) is used to encode the probability density of finding a grain size D along a direction (given by unit vector n) in grains with orientation g. The GSODF is sampled from the input microstructure and is represented in a finite element mesh. During elastoplastic deformation, the evolution of grain size D (in direction θ) and the orientation g is tracked by directly updating the GSODF probabilities using a Lagrangian probability update scheme. The effect of grain shape (e.g. in high aspect ratio grains) is modeled by including the apparent grain size as seen by various different active slip systems in the grain within the constitutive law for the slip system resistance. The prediction of texture and strains achieved by the statistical approach is compared to Taylor aggregate and finite element deformation analysis of a planar polycrystalline microstructure. The role of grain shape and size in determining plastic response is investigated and a new adaptive GSODF model for modeling microstructures with multimodal grain shapes is proposed.     

Operative slip systems and anomalous strengthening in Ni3Nb single crystals with the D0a structure

The plastic deformation behavior of Ni₃Nb single crystals was examined in tension and compression to determine the operative slip and twinning systems, and to explore the anomalous strengthening behavior. A strong temperature dependence of the CRSS for both the slip and twinning systems was observed, which was dependent on the sample orientation. Anomalous flow behavior was also observed in Ni₃Nb crystals deformed by (010)[100] and (001)[100] slip. The anomalous strengthening mechanism is discussed on the basis of both the anisotropy of APB energy and the formation of dragging atmosphere around moving dislocations.     

Rrevealing plastic deformation mechanisms in polycrystalline thin films with synchrotron XRD

Understanding the fundamentals of plastic deformation mechanisms in polycrystalline thin metal films and the associated size effects is crucial to the design and fabrication of microelectronic devices. A combination of in-situ synchrotron diffraction experiments was conducted to investigate two cooperative plastic deformation mechanisms in polycrystalline face-centered cubic thin metal films: conjugate deformation twinning in uniaxially strained polycrystalline thin gold films and subgrain structure rotations in biaxially strained polycrystalline thin silver films. The experimental results demonstrate an increase in the total coverage of (115) oriented deformation twins in the thin gold films upon uniaxial deformation to 2% strain at a macroscopic yield stress of 250 MPa.     

超声滚压剧烈塑性变形诱导金属材料结构演变的研究进展

首先,对表面完整性的基本概念和内涵进行了概述,同时简要介绍了超声实现滚压技术的基本原理及其优点。随后,对比分析了不同剧烈塑性变形方法的特点和局限性,引出了实现表面完整性的相关剧烈塑性变形协调机制。在此基础上,随后结合其他剧烈塑性变形强化工艺,重点总结了超声滚压剧烈塑性变形对金属材料表面微观结构演变的影响。具体探讨了剧烈塑性变形诱导晶粒细化机制、晶粒生长机制以及合金元素偏聚机制等,主要分别论述了不同层错能的面心立方、体心立方以及密排六方等不同金属晶体结构的晶粒细化机制(以位错滑移、变形孪晶为主导)、晶粒长大机制(以晶界迁移、晶粒旋转为主要)与合金元素偏聚机制(晶界偏聚、位错核心偏聚)等。最后,对以上内容进行了综合总结,并针对超声滚压技术研究中存在的问题给出进一步研究和发展的建议,从而为实现超声滚压金属材料的表面完整性的主动精准控制及提高其服役寿命与可靠性提供一定的参考。     

Symmetric and Asymmetric Rolling Pure Copper Foil: Crystal Plasticity Finite Element Simulation and Experiments

A systematic study has been conducted aiming to attain an insight into the influence of coefficient of roll speed asymmetry, crystal orientation and structure on the deformation behavior, and crystallographic orientation development during foil rolling. Simulations were successfully carried out by using crystal plasticity finite element method(CPFEM),and a novel computational framework is presented for the representation of virtual polycrystalline grain structures. It has been found that asymmetric rolling(ASR) is more efficient in producing plastic deformation since it develops additional shear strain and activity of slip system compared with symmetric rolling(SR). For ASR, increase in the length of the shear zone, and decrease in the amount of the pressure and roll force would lead to further reduction. The shear strain path in SR and ASR is strictly influenced by the misorientation of neighbor grains, and corresponding {1 1 1} pole figures offer direct evidence of the spread of crystallographic orientation around the normal direction. The activity of slip systems was examined in detail and found that the predicted results are consistent with the surface layer model. The accuracy of the developed CPFEM model is verified by the fact that the simulated results of roll force coincide well with the experimental results.