晶体塑性模型分析微圆柱墩粗变形尺寸效应机理(英文)

为了分析单个晶粒变形行为对微成形的影响,将自由表面的晶粒看作单晶体构建晶体塑性模型。基于率相关晶体塑性理论,考虑试样尺寸、初始晶体取向及其分布,分析微圆柱体墩粗变形中尺寸效应机理。结果表明,流动应力随着试样尺寸的减小而明显减小,晶体取向的分布对试样流动应力具有显著影响,并随着塑性变形的进行而减小。由于单晶体的各向异性,在试样表层发生了明显的非均匀变形,这将导致表面粗糙度的增加,小尺寸试样则更加明显。过渡晶粒的存在使得晶粒各向异性对表面形貌的影响减小。模拟结果得到了实验验证,这表明所建立的模型适合于以尺寸依赖性、流动应力分散性和非均匀变形为特点的微成形工艺分析。     

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。     

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.     

多晶Cu屈服及后继屈服拉扭实验的晶体塑性数值分析

针对预拉伸和预扭转变形后的拉扭组合实验,用多晶集合体模型为代表性单元,结合晶体塑性理论对多晶Cu进行了晶粒尺度的屈服特性研究,采用子模型法对晶粒尺度的代表性单元模型和多晶Cu试样拉扭实验进行跨尺度材料力学行为分析.结合对多晶集合体的后继屈服面形状及演化趋势的研究,探讨不同加载路径和不同屈服点定义对材料后继屈服面的影响;通过对不同加载路径多晶Cu非均匀性的统计分析,探讨加载历史对多晶材料细观塑性变形不均匀性的影响.分析结果表明:后继屈服面的形状和尖角效应的出现与预加载方向和屈服定义有关;加载路径不同,多晶体内变形不均匀性的差异很大.运用子模型的晶体塑性模拟与后继屈服实验的结果有较好的一致性.     

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。     

微细薄板尺度依赖的材料本构模型的构建(英文)

通过表面层理论和金属晶体塑性变形原理解释微细薄板材料在塑性变形中产生尺寸效应的内在机理。引入尺度参数,对经典的Hall-Petch公式进行修正,建立基于表面层模型理论的尺度依赖材料模型。利用所建立的材料模型分析微细薄板厚度及其晶粒尺寸对材料成形流动性能的影响。在晶粒尺寸一定的情况下,随着微细薄板厚度的减小,材料流动应力逐渐降低;晶粒尺寸越大的微细薄板,其流动变形的尺寸效应现象越明显。利用不同厚度的不锈钢和纯铜箔材的微细薄板拉伸真应力-应变曲线对所建立的材料模型进行验证,计算结果与实验结果比较吻合,验证了所建立的材料模型的合理性。     

基于晶体学模型估算单相多晶体材料屈服临界分切应力

对多晶体材料在变形初期晶粒的弹性变形与塑性变形行为进行分析。在应变量很小的情况下,依照多晶体塑性变形的Sachs模型,并利用Schmid定律,通过区分多晶体材料在宏观屈服状态下塑性变形与弹性变形晶粒,建立了多晶体材料屈服临界分切应力的计算模型。以SPHC热轧板与X100管线钢为研究对象,根据室温拉伸实验测得两种实验材料的屈服强度,并利用X射线衍射技术测算两者的取向分布函数数据,确定这两种多晶体材料宏观屈服时塑性变形晶粒的体积分数,估算了其屈服临界分切应力。结果表明,计算模型合理可行,SPHC热轧板与X100管线钢宏观屈服时塑性变形晶粒的体积分数分别为94.8%和93.7%,屈服临界分切应力分别为106.3MPa和296.2MPa。     

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。     

晶体塑性理论及模拟研究进展

回顾了大变形晶体塑性理论的发展历程、本构模型和均匀化方法,综述了晶体塑性理论成果和典型应用场合。从流动模型、加工硬化模型和状态变量演化的角度对比分析了唯象的和基于物理机理的晶体塑性模型的理论基础和优缺点;阐述了平均场晶体塑性模型和全场晶体塑性模型的特点和适用场合;从金属多晶体材料的各向异性、织构演化、非均匀塑性变形、可成形性、尺度效应、损伤断裂行为、热变形和微观组织演化、虚拟测试等角度介绍了晶体塑性模拟的典型应用场合,并展望了该领域的未来发展趋势。     

基于尺寸效应微成形表面层模型建立与模拟

微产品成形分析和设计必须考虑到尺寸效应的影响.尺寸效应存在两种模型,一利是“晶粒尺寸”效应,另一种是“特征尺寸”效应.主要介绍了国内外对这两种尺寸效应所做的成形工艺实验和尺寸效应对试样成形和材料性能的影响,同时陈述了根据尺寸效应在有限元模拟中建立的表面层模型.研究结果表明,“晶粒尺寸”效应的影响主要体现在试样的应变分布、塑性变形以及变形的均匀性;“特征尺寸”效应对材料流动应力、变形摩擦力等方面表现出不同于宏观尺寸的现象;在有限元模拟中建立的表面层模型的模拟结果很好地解释了这些现象.     

Simulation of strain-softening behaviors in an AZ31 Mg alloy showing distinct twin-induced reorientation before a peak stress

To investigate strain-softening behavior during plastic deformation of an AZ31 Mg alloy, cylindrical specimens were compressed in a rolling direction at 300 °C. Experimental evidence revealed that an inhomogeneous microstructure evolved due to the softening behavior associated with deformation at elevated temperatures. The large grains that reoriented as a result of deformation twinning were free of dynamic recrystallization (DRX). Fine grains nucleated at grain boundaries of grains were deformed by a slip-dominated mechanism, which accommodated the external strain. A visco-plastic self-consistent (VPSC) polycrystal model was used to simulate softening of the flow stress curve and texture evolution during uniaxial compression. A softening scheme was implemented in the polycrystal model to predict the softening phenomenon and texture evolution after the peak stress. The original VPSC model was modified to simulate texture evolution in an AZ31 Mg alloy that exhibited twin-dominated deformation before the peak stress.     

纯铜径向微压缩塑性变形行为尺寸效应

对不同晶粒尺寸的纯铜多晶体圆柱试样,开展径向微压缩试样。实验结果表明,随着晶粒尺寸的增大,成形力减弱,分散性增大,并出现不规则表面。提出了基于表层晶粒位错堆积的修正表层模型和基于标准偏差理论和晶粒尺寸分布的流动应力波动性公式,分析了微压缩变形中的成形力尺寸效应。从表层晶粒以旋转为主要变形模式的角度,讨论了表层晶粒非均匀塑性变形。与实验结果吻合很好。     

多晶Cu在双向加载下的后继屈服与塑性流动分析

采用晶体塑性理论并结合多晶集合体模型来研究多晶Cu的塑性变形,用双向加载方式模拟材料的双向应力状态和分段加载路径,得到了材料的初始屈服而及在预剪切和预拉伸2种情况下的后继屈服面.通过对后继屈服面形状及其演化趋势的研究,探讨了用晶体塑性理论分析多品材料塑性流动规律的方法.结果表明:后继屈服面的形状和是否出现尖角与屈服点的定义有关,同时还与π平面上的预加载方向有关;通过对多晶集合体代表性单元的塑性流动方向与后继屈服面法向的差异进行统计分析,发现塑性流动的正交性不仅与屈服定义相关,也与预加载方向有关.     

Reorientation and stress relaxation due to twinning: Modeling and experimental characterization for Mg

A study of the mechanical response of Mg AZ31 when deformed under twinning dominated conditions is presented. In addition to the well-known rapid texture variation, neutron diffraction measurements reveal a ‘sense-reversal’ of the internal stress in the twinned grains. The latter is characterized experimentally and an elasto-plastic polycrystal model is extended in order to account for twin domain reorientation and associated stress relaxation. It is concluded that the texture variation due to twinning is sufficient to explain the observed macroscopic stress–strain response. However, the evolution of internal stresses in diffracting subsets of grains is complex and more challenging to explain. It seems to be strongly controlled by the order in which slip and twinning are activated, the stress relaxation associated with twin propagation, and neighbor constraint effects.     

热处理对粉末高温合金不均匀变形的改善作用

粉末高温合金因合金化程度高、可锻性差,在锻造加工过程中容易发生不均匀变形和开裂.利用OM、SEM和TEM分析粉末高温合金易产生不均匀变形的组织原因,初步探索了退火处理对改善组织,提高可锻性的原因.结果表明:由于晶粒转动和第二相不均匀分布引起的微观不均匀变形是导致宏观不均匀变形的直接原因;经锻前多台阶热处理后,三晶粒交界处生成细小等轴晶层,第二相弥散分布均有利于粉末高温合金变形.     

Role of grain orientation distribution in the ferroelectric and ferroelastic domain switching of ferroelectric polycrystals

The non-linear electromechanical behavior of ferroelectric polycrystals stems from polarization/domain switching, which are affected by the grain boundaries and grain orientations. The effects of grain orientation distribution on the domain switching and non-linear behavior of a two-dimensional ferroelectric polycrystal subjected to an electric or/and mechanical load are investigated by computer simulations with a real-space phase-field model. Phase-field simulations indicate that the macroscopic coercive field, remanent polarization and remanent strain in the polycrystal with a random distribution of grain orientation are correspondingly smaller than those in the polycrystal with a uniform distribution of grain orientation. However, the polycrystal with randomly distributed grain has a larger strain variation with the electric field than the polycrystal with uniformly distributed grains, which suggests that the random polycrystal has a better piezoelectric property than the uniform one. The different macroscopic non-linear behaviors of the ferroelectric polycrystals are attributed to different microscopic domain switching processes. For the polycrystal with randomly distributed grains, the domain switching takes place from the regions near the large angle grain boundaries, while new domains nucleate from the cross sections between the grain boundaries and the material surface in the polycrystal with uniform grain orientation.