轧制单层晶铜箔滑移启动和应变局部化的晶体塑性模拟

在晶粒尺度采用晶体塑性有限元模拟极薄带材轧制成形过程,对优化和改进材料模型以及探究极薄带材塑性变形机制具有重要作用.箔材轧制成形性能主要依赖材料的微观结构(晶界、滑移系、取向).采用退火态的单层晶铜箔为原料,进行箔轧实验和晶体塑性有限元模拟.建立反映晶粒形貌、晶界和取向各向异性的单层晶铜箔晶体塑性有限元模型,分析极薄带轧制成形中单/多滑移系启动状态和应变局部化现象.为准确构建晶体塑性有限元模拟的初始晶粒结构,消除微观组织亚表面的影响,采用垂直晶界即在厚度方向上建立只有一层晶粒的铜箔晶粒模型.结果表明:晶粒各向异性影响单层晶铜箔的轧制变形机制;晶界处的变形和滑移系运动状态完全不同于晶粒其他位置;单层晶轧制变形的滑移状态表现出明显的各向异性,出现局部滑移带和应变局部化,随轧制变形量的增大,滑移差异显著增大;晶界两侧局部区域存在滑移和变形的显著差异,这为亚晶和微观裂纹源的形核提供了有利的位置.     

复合成形轧制铜极薄带变形局部化的晶体塑性有限元模拟

随极薄带厚度的进一步减薄，轧制极薄带变形由于轧件厚度/晶粒尺寸比值小的尺寸效应和变形程度导致各向异性与局部化已完全不同于轧制厚件时的变形特性。采用具有拉拔-压缩-剪切复合成形功能的微型异步轧机开展系列厚度铜极薄带的箔轧实验，结果表明复合成形轧制工艺和极薄带尺寸显著影响轧制力能参数与箔材质量。宏观有限元理论已不再适用出现这些新现象的极薄带轧制变形的建模。将嵌入初始晶粒形貌和取向等微观组织结构信息的介观晶体塑性有限元模型(CPFE)用于复合成形条件下铜极薄带轧制变形局部化的模拟与分析，指导箔轧工艺优化和提高箔材质量。晶粒层次的晶体塑性有限元模型，准确预测了单层晶铜极薄带轧制变形局部化的现象和趋势，模拟与实验的轧制力吻合较好，尤其是各向异性。随上下工作辊异速比的增大，箔材厚度方向剪切变形增强，变形带、滑移带形成且局部化趋势显著。晶粒变形局部化的差异，对轧制制备极薄带材的控形控性造成困难。     

压下率对轧制单层晶极薄带晶界滑移特性的影响

采用退火态单层晶轧制铜箔为原料,进行不同压下率的箔轧.以多晶体位错滑移及塑性流动机制为基础,建立了考虑潜在硬化和晶格转动效应的率相关晶体滑移本构模型,分析了压下率对轧制单层晶极薄带晶界附近区域变形分布特性、取向演化和滑移系激活规律的影响,并探讨其机理.确定了合理的材料本构参数,铜箔拉伸实验与晶体塑性有限元模拟得到的应力-应变曲线一致.所建立的晶体塑性有限元模型,可很好的模拟最大压下率达到80%时轧制单层晶铜箔的变形过程.结果表明:1)由于晶粒形状、晶界及晶粒取向的作用导致晶内-晶间变形分布非均匀性;2)由于晶粒间复杂的相互作用导致晶粒取向主要绕横向(TD)进行旋转,且旋转角度和取向分散度随压下率的增加而增大;3)在晶内-晶间不同区域的滑移系启动存在显著差异,启动滑移系随压下率的增加而增多,当压下率小于等于60%时,在晶粒表层和晶界处,滑移系成对发生启动,当压下率达到80%时,表层和晶界处为多滑移系启动情形;4)滑移最先从晶粒表层和晶界处开始,然后向晶粒内部延伸.     

连续柱状晶Cu-ECAP中的晶界演变及其与剪切带的交互作用

金属发生塑性变形时形成的剪切带在高应变状态下会被分割为孪晶-基体片层状组织,而纳米尺度的孪晶界能实现材料强塑性的高度匹配。因此,利用等通道转角挤压(ECAP)技术研究剪切带的形成与作用可为材料的强塑性匹配提供有效支持。通过对具有特殊晶界角度的连续柱状晶纯Cu进行1道次ECAP变形,研究变形过程中晶界的演变,分析变形过程中剪切带的形成机制及与晶界的交互作用,测试了不同晶界角度试样变形后的力学性能。结果表明:ECAP变形后,0°晶界发生弯折,内角处晶界顺时针转动50°,30°晶界顺时针转动5°,45°晶界弯曲并呈现出"汤匙"状,60°晶界中心发生弯曲,90°晶界未发生变形。试样变形过程具有多个受力区域,各区域应力状态不同,多种应力交替作用使变形过程中的应变分布极不均匀,从而导致宏观变形存在较大差异。拉伸实验结果表明,具有0°晶界的晶体抗拉强度最高,达到325 MPa,其次是具有45°晶界的晶体,达到295 MPa,而具有60°晶界的晶体抗拉强度最小,为230 MPa。晶体变形后晶粒内形成大量的剪切带,剪切带与晶界的交互作用使晶界发生弯曲。剪切带与晶粒取向及晶界夹角的不同是造成材料变形后抗拉强度产生较大差异的因素之一。     

单晶Al在剪切变形时微观变形机制的分子动力学模拟

运用分子动力学模拟方法,研究Al在剪切变形下的微观变形机制,模拟初期铝变形主要以层错为主,孪晶数量较少。模拟进行到一定程度,由于晶体内部分切应力达到孪晶形核所需分切应力,孪晶开始大量出现,且以单层孪晶为主,多重孪晶为辅共同作用。并且出现近几年实验观察到的新缺陷结构五重孪晶,得出单晶Al在剪切变形下也会实现五重孪晶形核,生长。随剪切应变的进一步加大,形成的五重孪晶在晶体内部持续存在一段时间,但不会一直保留,先是转化为四重孪晶,并最终消亡。在模拟剪切一个完整周期后,材料内部出现取向异性的新晶粒,在此条件下实现晶粒细化。     

AZ31镁合金室温拉伸微观变形机制EBSD原位跟踪研究

利用电子背散射衍射(EBSD)技术,原位跟踪AZ31镁合金轧制板材室温下沿轧向拉伸时的晶粒取向变化。对变形过程的滑移系和孪晶启动机进行分析。结果表明:变形过程主要由〈a〉基面和柱面滑移系开动而实现,晶粒取向无明显变化,大量〈a〉位错滑移的产生,使得变形后小角度晶界增加明显。晶粒中拉伸孪晶是试样在拉伸变形过程中产生的,而非在试样拉伸后的卸载过程中产生。     

热轧过程中高纯钴微观组织及织构演变

金属钴具有同素异构转变特性。为探究热轧工艺对高纯钴的微观组织及织构演变规律的影响,对纯度为99.99%(质量分数)的高纯钴进行500 ℃(高于同素异构转变温度)下的热轧,并采用电子背散射衍射(EBSD)技术对样品进行表征。结果表明:初始态板材由密排六方相(HCP相)和面心立方相(FCC相)构成,且以HCP相为主;HCP相晶粒的晶体取向较为集中,而FCC相晶粒的晶体取向较为分散;HCP相中的相变孪晶和FCC相中的退火孪晶含量较高。经过热轧,不同道次下的水冷板材中仍含有HCP相和FCC相,HCP相和FCC相在不同轧制板材中含量略有不同,但FCC相的相对含量均高于HCP相;HCP相晶粒的细化效果尤为显著。两相的小角度晶界含量较初始态大幅度上升,大角度晶界含量大幅度下降;轧制水冷板材中HCP相形成了特殊的择优取向,{0001}基面法向偏离ND方向朝向RD方向35°,且{10-12}取向较为分散;而FCC相呈现出较为随机的晶体取向特征。     

晶界角度对Al-Mg-Sc-Zr合金板材各向异性行为的影响

通过多向锻造和退火处理对Al-Mg-Sc-Zr合金进行晶界优化，对比研究混合晶界结构对合金板材力学性能各向异性行为的影响。结果表明：均匀化状态合金以高角度晶界为主，经过轧制变形后形成较多轧制剪切带和高强度的Brass, Copper和S织构，轧制板材力学性能各向异性行为较为明显，屈服强度IPA_YS和抗拉强度IPA_UTS指数分别为6.68%和5.85%;合金经过多向锻造和退火处理后，基体为高/低角度晶界结构并存的混晶组织，经过轧制变形后剪切带密度和织构强度明显降低，合金轧制板材性能各向异性行为得到明显改善。     

非对称/对称轧制AZ31镁合金微观组织研究

研究了非对称轧制和对称轧制过程中,AZ31镁合金板材微观组织的变化特征,并结合有限元模拟对其差异进行了分析.结果表明,非对称轧制可明显细化板材的晶粒,可获得平均晶粒度约为8.9μm均匀分布的等轴晶组织,且其(0002)基面晶粒取向明显减弱;而对称轧制板材晶粒分布不均匀且有大量的孪晶存在,平均晶粒度达13.2μm.这主要是因为,与对称轧制相比,非对称轧制沿板材厚向引入了强烈的剪切应变所致.     

双相不锈钢中奥氏体沉淀相的晶粒取向及界面特征分布

利用电子背散射衍射(EBSD)技术和基于Rodrigues-Frank(R-F)空间的取向差分析方法研究双相不锈钢中过饱和铁素体(α)经1323K沉淀析出的奥氏体(γ)相的晶粒取向和界面(晶界和相界)特征分布。结果表明:α晶粒经ε=2预先轧制变形后,γ析出相具有较强的织构,晶粒内取向差呈现以小角度晶界为主,孪晶界次之的晶界特征分布,这些晶粒与α基体的取向关系满足K-S,N-W和Bain关系的数量基本相当。具有相同取向而未经轧制变形的α晶粒沉淀析出的γ晶粒取向基本随机分布,与基体的取向关系主要以K-S为主;但内部发生孪晶的γ晶粒与基体不再满足K-S关系,其周围的相界约有1/4满足35°/〈110〉的新型取向关系。     

GH36带缺口试样蠕变裂纹扩展的动态观察及机理的初探

本文通过高温显微镜在连续加载的条件下对 GH36带缺口试样蠕变裂纹扩展过程进行了观察,结果发现裂纹尖端邻近区域晶界变粗处品粒内无变化,而晶粒内出现滑移变形的晶界无变粗迹象,同时发现蠕变裂纹沿晶扩展至锯齿晶界时被迫转为穿晶扩展。本文分析这些微观现象产生的原因,并对蠕变裂纹扩展理论进行初探。     

孔洞在晶界上长大行为的模拟

通过编制率相关有限元用户子程序,运用晶体有限元,通过建立一个包含球形孔洞的双晶粒模型,对FCC晶体中孔洞在晶界的长大行为进行了分析。计算中,晶粒1的取向固定为(0°,45°,90°),晶粒2的取向分别为(35°,45°,90°),(60°,45°,90°),(0°,0°,0°),分别对应于单胞A,单胞B,单胞C,晶界与X轴方向的夹角θ分别取0°,45°,60°。计算结果表明:单胞的断裂模式与两晶粒的取向因子的差异有关,对于两晶粒的取向因子差异最大的单胞B,单胞沿晶界处的等效塑性应变比单胞其它地方的应变大,且最大等效塑性应变在三个单胞中为最大,单胞易于发生沿晶断裂。而对于两晶粒的取向因子差异最小的单胞C,沿晶界的等效应变较小,单胞易于发生穿晶断裂。晶界与X轴方向的夹角θ为45°时,单胞沿晶界处的等效应变较大,单胞易发生沿晶断裂。     

细晶高强铝合金7475超塑变形行为

7475高强铝合金经过由固溶处理、轧制、再结晶组成的形变热处理工艺细化晶粒后,在适当条件下变形可呈现出良好的超塑性。在最佳变形条件下(T=510℃,ε_0=8.33×10~(-4)S~(-1)),获得最大延伸率为1700%。显微组织观察表明:Ⅲ区变形机制以晶间滑移为主,在晶内形成了位错亚结构。Ⅱ区的变形机制为晶界滑移伴随晶内位错运动。位错密度随应变的增加而增加。在Ⅰ区变形以扩散蠕度为主不包括晶间滑移。超塑变形Ⅱ区的激活能接近于体扩激散活能。基体中的体扩散是该合金超塑变形的速控过程     

FGH95粉末镍基合金的组织结构与蠕变特征

通过蠕变曲线的测定及组织形貌的观察,研究了FGH95粉末镍基合金的蠕变行为及变形特征.结果表明:FGH95粉末镍基合金在试验的温度和应力范围内,具有明显的施加温度和应力敏感性,并测算出合金的蠕变激活能和应力指数.合金的组织结构由一次、二次、三次γ'相及弥散分布的碳化物组成,在粉末颗粒之间具有较宽的晶界.蠕变期间,在合金晶粒内的变形以单取向或双取向滑移方式进行,并在滑移迹线附近有细小碳化物析出,而较宽的晶界由于剧烈变形可发生碎化形成细小晶粒.合金在蠕变期间的微观变形机制是位错发生双取向滑移,其中(1/2)《110》位错在γ基体相中运动,《110》超位错存在于γ'相内,而层错的形成是由于《110》超位错分解为(1/3)《112》超肖克莱不全位错所致.     

纳米金属变形孪生研究进展

孪生是金属塑性变形的一种重要形式,改变晶粒形状与晶体取向,使金属发生宏观变形。与中／高层错能面心立方结构（FCC）多晶中的情况不同,变形孪生是FCC纳米金属的重要塑性协调方式,相同柏氏矢量的Shockley不全位错从晶界形核并发生滑移,每层（111）面相对于其毗邻面沿孪生方向位移原子间距的分数值,使局部区域（即孪晶）均匀切变,称为MAP（monotonic activation of partials）机制。对纳米金属的孪生变形影响宏观塑性变形和力学性能的机理尚没有很好的解释。     

高应变速率下等径角挤压高纯粗晶铝中的形变孪晶与退火孪晶

在室温下对铸态高纯粗晶铝进行一道次高应变率动态等径角挤压(D-ECAP)变形,利用电子背散射衍射技术(EBSD)研究挤压过程中所形成的孪晶。结果表明:利用D-ECAP能够在粗晶铝中同时制备出形变孪晶和退火孪晶,但两者在形态、Kernel平均取向差(KAM)以及与相邻晶粒的取向差三个方面存在较大差异。D-ECAP高应变率和大剪切变形使高层错能铝中形成了百微米级的形变孪晶,形变孪晶的形态为透镜状,后续变形使得孪晶界偏离∑3 60°〈111〉取向关系且KAM值主要集中于0.6°~1.8°。高应变率剪切变形下形成的大量层错和复杂的位错组态以及高形变储存能在变形温升的作用下促进了退火孪晶的形成。退火孪晶的形态较不规则,但孪晶界的取向关系更接近于∑3 60°〈111〉且KAM值主要集中于0.2°~0.5°。     

各向异性条件下晶粒长大过程的相场法模拟

引入与时间有关的取向错配场变量,模拟了晶界能各向异性条件下晶粒长大的演化行为.模拟结果表明,与晶界能各向同性系统相比,随演化时间的延长,晶界能各向异性延迟晶粒的生长,使得晶粒的平均面积呈非线性变化;在相同的演化时间下,各向异性系统的晶粒尺寸分布比各向同性系统宽;晶界边数少的晶粒所占的比例明显增加;进入准稳态后,各向异性和各向同性系统中的晶粒相对尺寸分布随时间皆无明显变化.     

锻造变形量对FeNi基奥氏体合金力学性能的影响

研究了最后一火锻造变形量对FeNi基合金微观组织和性能的影响.结果表明,变形量为10%时合金中出现孪晶,其数量随着变形量的增大而增多.随着最后一火锻造变形量的增大,室温拉伸强度因晶粒细化而提高;但是,变形量大于15%后,室温塑性因孪晶对晶内滑移的阻碍作用和晶界碳化物对晶界结合力的削弱而降低;变形量大于10%时高温强度和塑性下降,其原因是孪晶与晶界相交阻碍了晶界滑动,相交部分在外力作用下易产生应力集中导致裂纹萌生并沿晶界扩展.     

压头晶体各向异性对纳米压痕变形机理的影响

为了研究压头晶体各向异性对纳米压痕变形机理的影响,用多尺度准连续介质(QC)法模拟了不同晶向的Ni压头与Ag薄膜的纳米压痕过程,对比不同晶向的压头在薄膜的弹-塑性转变点和最大载荷时薄膜中的原子滑移带,发现压头的晶向是决定薄膜开启原子滑移系的难易的关键因素。研究了压头在不同晶向下纳米压痕过程中Ag薄膜的变形机理,发现薄膜中原子滑移大都由压头拐角处触发。用RiceThomson位错模型计算得到压头表面正应力和切应力的分布图,借助应力分布图讨论了薄膜原子滑移的开启机理。     

AZ31镁合金连续变断面挤压变形行为及组织演变

采用大变形量的连续变断面循环挤压工艺对铸态AZ31镁合金进行不同道次的挤压变形,分析了其在变形到断裂过程中的受力情况和微观组织变化。研究表明:随着变形次数的增加,铸态AZ31镁合金晶粒不断被细化,10道次变形后,晶体内的不均匀变形被消除,粗大的晶粒全部变为细小的等轴晶,晶界上的第二相和杂质也均匀地分布在晶粒间;变形过程中发生了动态再结晶,原始粗大晶粒在形成细小等轴晶的同时仍能保持原有晶体位置的遗传性;变形过程中主要以孪晶为主,锥形裂纹末端为沿晶和穿晶结合型断裂,侧面为单一型穿晶断裂,并且裂纹两边显微组织存在较大差异性。