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基于晶体塑性理论的CR340轧制差厚板塑性变形行为研究

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基于晶体塑性理论的CR340轧制差厚板塑性变形行为研究

作者：杨帅武汉工程大学

学位级别：硕士

轧制差厚板是继激光拼焊板之后的又一种新型轻量化板材。差厚板各厚度区受到的轧制程度不同,使各厚度区的晶粒形状、晶粒尺寸和晶体取向等微观组织存在差异,宏观上表现为各厚度区力学性能和塑性变形行为的差异。因此,基于单一厚度板构... 详细信息

轧制差厚板是继激光拼焊板之后的又一种新型轻量化板材。差厚板各厚度区受到的轧制程度不同,使各厚度区的晶粒形状、晶粒尺寸和晶体取向等微观组织存在差异,宏观上表现为各厚度区力学性能和塑性变形行为的差异。因此,基于单一厚度板构建的成形理论不再适用于差厚板的成形。本文应用宏-细观耦合的研究方法,应用晶体塑性理论建立多晶体塑性本构有限元模型,研究微结构对差厚板塑性行为的影响规律,揭示微观不均匀板料的塑性流动行为,建立差厚板流动性能的普适性规律。本文首先应用单向拉伸实验,分析差厚板各厚度区基本力学性能的差异,进一步通过电子背散射衍射(EBSD)技术测试差厚板各厚度区晶粒形貌、尺寸及取向等基本微观结构信息,获得微观结构影响宏观力学性能的规律。研究结果表明,薄区和厚区均由等轴状晶粒组成,晶粒尺寸分布均匀,宏观上表现为等厚区具有良好的塑性变形能力和优异的力学性能,而过渡区晶粒尺寸分布不均,微观组织均匀性差,因此较早出现颈缩现象,韧性差。此外,等厚区均存在以{111}为主的典型有利织构,而过渡区无明显有利织构的存在。应用Abaqus有限元软件的二次开发功能,基于微观结构信息建立差厚板多晶体塑性有限元模型,研究差厚板微观组织的差异对塑性变形行为的影响规律。在neper中使用voronoi图形法建立多晶体几何模型,赋予差厚板织构占优的晶粒取向,建立符合差厚板微观结构的晶体塑性有限元模型,模拟宏观外力作用下差厚板的微观变形行为。结果表明,等厚区存在有利滑移位向的晶粒多,材料的塑性高于过渡区;过渡区处于硬向位的晶粒多,更容易出现应力集中的现象。过渡区位置的变化会影响差厚板的成形性能,在过渡区结合薄区的板材,变形区域应力应变分布不均,加载程度变大,形变区域更加集中化,成形性能降低;在过渡区结合厚区的板材,变形区内应力应变分布较为均匀,加载程度变大,形变区域平缓扩散,成形性能提高。在上述研究成果的基础上,采用弯曲实验和金相实验,研究差厚板塑性变形行为和成形性能与板料厚度和微观组织的关系。结果表明,差厚板厚度和微观组织的非均一性,是导致其成形过程中塑性变形不均匀的重要原因;等厚区的晶粒变形均匀,塑性变形性能好,过渡区的晶粒只在局部变形,塑性变形性能差;差厚板过渡区是塑性流动不均匀性的关键区域,在过渡区靠近薄区的区域,板材塑性流动不均性增加,减薄率升高,成形性能降低;过渡区靠近厚区,板材塑性流动不均匀性减小,减薄量下降,成形性能提高。实验结果和模拟结果对比分析,进一步验证了差厚板多晶体塑性有限元模型的准确性。

关键词：差厚板微观组织晶体塑性理论多晶体建模塑性变形

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基于晶体塑性理论的超薄带材轧制数值模拟

基于晶体塑性理论的超薄带材轧制数值模拟

作者：李东营燕山大学

学位级别：硕士

超薄带材区别于传统的带材,在航空航天、医疗器械等高科技领域具有非常广泛的应用,而这对于超薄带材的轧制生产提出了很高的要求,特别是轧制过程的制定和带材表面的控制方面需要保持很高的精度。目前,国内外对超薄带材的宏观探究比较深... 详细信息

超薄带材区别于传统的带材,在航空航天、医疗器械等高科技领域具有非常广泛的应用,而这对于超薄带材的轧制生产提出了很高的要求,特别是轧制过程的制定和带材表面的控制方面需要保持很高的精度。目前,国内外对超薄带材的宏观探究比较深入,细观层面研究相对较少,本文主要通过有限元软件模拟分析超薄带材轧制在细观尺度上的变化情况。带材轧制细观尺度的计算机模拟,首先需要在ABAQUS中建立随机晶粒模型,本课题采用Voronoi多边形算法,通过MATLAB软件生成二维、三维随机晶粒结构数据并导入到ABAQUS中建模。然后,基于晶体塑性理论,利用ABAQUS中的用户材料子程序UMAT编程建立适应于细观尺度的多晶体本构模型,通过模拟单晶集合体的单轴拉伸,分析拉伸变形结果,并对模型中的晶粒边界进行几何优化,使晶粒模型达到理想的变形效果。基于第一性原理,依据经验公式求出晶体的晶格常数,利用MS软件模拟了GCr15各相晶体的弹性常数,通过材料子程序调用不同晶体的弹性常数及各相关参数,模拟了不同淬火时长后GCr15的材料性能,选出最优性能的淬火时长材料作为静态轧制中的带材材料。建立超薄带材静态轧制模型,通过模拟带材二维轧制过程,对轧带模型中不同位置晶粒应力应变特点对比分析,同时探究了晶粒取向和晶粒大小对轧制过程的影响。得出晶粒取向趋于轧制方向时有利于轧制效果,晶粒越小越有利于减小轧制后轧带的应力集中分布,这为实际生产中提供一定的对比参考。同时,模拟超薄带材三维轧制过程,对比分析了轧制初始时、中间时和完成时轧带晶粒间应力应变变化特点,清晰地展示了细观尺度带材轧制过程。并对轧制完成后的轧带进行横截面操作,对比轧带横截面内部应力应变云图,分析了应力应变变化的特点。

关键词：超薄带材晶体塑性理论弹性常数应力应变静态轧制

基于晶体塑性理论研究铝材料高压高应变率下的强度特性

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爆炸与冲击 2019年第2期39卷 39-46页

作者：潘昊王升涛吴子辉胡晓棉北京应用物理与计算数学研究所北京100094

为了了解金属材料在极端加载下复杂动态响应过程中的多种机制和效应,重点针对Al材料在高压、高应变率加载下的塑性变形机制,在经典晶体塑性模型的基础上,对其中的非线性弹性、位错动力学和硬化形式进行改进,建立适用于高压、高应变率加... 详细信息

为了了解金属材料在极端加载下复杂动态响应过程中的多种机制和效应,重点针对Al材料在高压、高应变率加载下的塑性变形机制,在经典晶体塑性模型的基础上,对其中的非线性弹性、位错动力学和硬化形式进行改进,建立适用于高压、高应变率加载下的热弹-黏塑性晶体塑性模型。该模型可以较好地描述单晶铝和多晶铝材料屈服强度随压力的变化过程,相比宏观模型,用该模型还获得了多晶Al材料在冲击加载下的织构演化规律,揭示了织构择优取向行为和压力的关系。

关键词：晶体塑性理论高应变率欧拉弹性方程织构演化

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晶体塑性理论在定向结晶材料与构件上的应用

中国机械工程 1999年第1期10卷 64-66页

作者：岳珠峰吕震宙西北工业大学

将晶体塑性理论应用于定向结晶材料与构件分析之中。首先结合试验结果，由单晶体的材料基本常数推得横观各向同性的５个材料参数，进一步研究了晶粒数对这５个参数的影响，并给出其分布规律；其次以一真实叶片为例，给出其在考核工况下... 详细信息

将晶体塑性理论应用于定向结晶材料与构件分析之中。首先结合试验结果，由单晶体的材料基本常数推得横观各向同性的５个材料参数，进一步研究了晶粒数对这５个参数的影响，并给出其分布规律；其次以一真实叶片为例，给出其在考核工况下的蠕变响应，与试车结果比较，得到晶体塑性理论分析定向结晶结构的合理性。

关键词：晶体塑性理论定向结晶材料横观各向同性

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基于晶体塑性理论的钛合金疲劳寿命预测

机械制造 2019年第8期57卷 63-66页

作者：卢术娟周素霞徐鹏北京建筑大学机电与车辆工程学院北京100044 城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室北京100044

钛合金是航空航天及船舶制造领域的重要材料.为研究钛合金在拉伸载荷作用下的疲劳寿命,突破传统宏观有限元方法,在介观尺度上基于晶体塑性理论,对钛合金进行仿真.应用Neper与ABAQUS软件,建立Ti-5553钛合金材料的晶体塑性有限元模型,对... 详细信息

钛合金是航空航天及船舶制造领域的重要材料.为研究钛合金在拉伸载荷作用下的疲劳寿命,突破传统宏观有限元方法,在介观尺度上基于晶体塑性理论,对钛合金进行仿真.应用Neper与ABAQUS软件,建立Ti-5553钛合金材料的晶体塑性有限元模型,对其应力仿真结果进行分析.结果表明,模型中的最大等效应力为476.6 MPa,最小等效应力为69.95 MPa.将仿真结果导入Fe-safe疲劳分析软件,对钛合金材料的疲劳寿命进行预测,得到疲劳寿命计算结果为229 567次.

关键词：晶体塑性理论钛合金疲劳寿命预测

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气膜孔孔形对CMSX-10平板试样蠕变性能的影响

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航空动力学报 2024年

作者：王心美王大斐李磊西北工业大学-中国航发商用航空发动机有限责任公司商用航空发动机结构完整性联合创新中心西北工业大学力学与土木建筑学院高效清洁动力装置全国重点实验室

针对第三代镍基高温合金CMSX-10平板试样，分别设计带有倾角与偏航角的圆孔、扩张孔、W形孔三种孔形的气膜孔并开展高温蠕变试验，研究了气膜孔孔形对镍基单晶合金冷却叶片模拟试样高温持久断裂寿命的影响。结果表明：在980℃和350MPa... 详细信息

针对第三代镍基高温合金CMSX-10平板试样，分别设计带有倾角与偏航角的圆孔、扩张孔、W形孔三种孔形的气膜孔并开展高温蠕变试验，研究了气膜孔孔形对镍基单晶合金冷却叶片模拟试样高温持久断裂寿命的影响。结果表明：在980℃和350MPa条件下，圆孔试样的高温持久断裂寿命大约为扩张孔试样的1.3倍，扩张孔试样的高温持久断裂寿命大约为W形孔试样的1.3倍。结合扫描电镜分析发现：平板试样的蠕变断裂形式主要是在气膜孔周边区域产生应力集中之后引起的类解理和韧窝混合型断裂。基于晶体塑性理论对三种气膜孔孔形平板试样进行模拟分析，模拟结果显示在气膜孔周边存在应力集中和应力重分布，数值模拟分析结果与观察试样断口形貌得到的断裂特征吻合。采用改进的Lemaitre蠕变损伤模型与Larson-Miller方程来预测圆孔CMSX-10平板试样的蠕变断裂寿命，结果表明基于改进的Lemaitre 蠕变损伤模型预测蠕变寿命精度更高。

关键词： CMSX-10平板试样镍基单晶合金气膜孔孔形晶体塑性理论蠕变性能

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板条马氏体钢的循环塑性本构模型

Acta Mechanica Sinica 2022年第2期38卷 110-118,I0004页

作者：余龙刘文域隋昊男刘营段慧玲 State Key Laboratory for Turbulence and Complex System Department of Mechanics ami Engineering ScienceBeijing Innovation Center for Engineering Science and Advanced Technology(BIC-ESAT)College of EngineeringPeking UniversityBeijing 100871China Key Laboratory of High Energy Density Physics Simulation(HEDPS) Center for Applied Physics and Technology(CAPT)and IFSACollaborative Innovation Center of MoEPeking UniversityBeijing 100871China

板条马氏体钢的软化行为与循环变形过程中的板条粗化和位错演化行为有关.结合物理机理,本文建立了一个用于研究板条马氏体钢循环塑性响应的理论模型.在板条块尺度,基于晶体塑性理论,考虑低角晶界(板条界面)位错与可移动位错的相互作用... 详细信息

板条马氏体钢的软化行为与循环变形过程中的板条粗化和位错演化行为有关.结合物理机理,本文建立了一个用于研究板条马氏体钢循环塑性响应的理论模型.在板条块尺度,基于晶体塑性理论,考虑低角晶界(板条界面)位错与可移动位错的相互作用建立了界面位错演化模型;基于高角晶界(板条块界面)引起的位错塞积效应发展了背应力演化模型.在多晶尺度,基于弹粘塑性自洽理论,建立了多级结构(包括板条块、原奥氏体晶粒以及板条马氏体钢)力学行为之间的关联.基于该理论模型,本文对板条马氏体钢的循环滞回曲线、循环加载过程中的峰值应力演化行为等进行了理论预测和研究.

关键词：晶体塑性理论位错塞积循环变形循环加载板条块界面位错演化模型峰值应力

基于应变梯度晶体塑性本构理论的材料尺度相关力学行为研究

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基于应变梯度晶体塑性本构理论的材料尺度相关力学行为研究

作者：童伟华中科技大学

学位级别：硕士

近年来,大量的实验证明,当材料处于微米/亚微米量级时,材料表现出非常明显的尺寸效应,即材料尺寸越小,材料的宏观力学性能越强。然而,传统的基于连续介质力学框架的相关本构理论中不包含尺度参数,无法解释这种尺度相关实验现象。与此同... 详细信息

近年来,大量的实验证明,当材料处于微米/亚微米量级时,材料表现出非常明显的尺寸效应,即材料尺寸越小,材料的宏观力学性能越强。然而,传统的基于连续介质力学框架的相关本构理论中不包含尺度参数,无法解释这种尺度相关实验现象。与此同时,在工业制造领域,人们迫切需要解决微米尺度材料的力学理论和计算模拟问题。因此,近年来,关于尺度效应的研究一直是学术领域的热门问题。自从本世纪初,Cosserat提出了包含尺度参数的偶应力理论之后,科学工作者提出了众多的应变梯度理论来更精确地模拟小尺寸或者有较大应变梯度材料的变形问题。众所周知,晶体材料具有非常明显的各向异性,这一特性对微尺度下金属材料的宏观力学性能有较大的影响(微米尺度下材料的晶粒个数非常有限)。传统的晶体塑性理论能精确地表征晶体材料的这种各向异性,但该理论中并未包含尺度相关参数。因此,在传统的晶体塑性理论的框架中引入应变梯度和材料内禀特征参数显得尤为重要。其不仅可以完整地模拟微米尺度下晶体材料的各项异性,同时也考虑了微尺度下材料的尺度效应。本文正是基于该出发点,发展了计算应变梯度响应算法,通过ABAQUS用户子程序UMAT实现了在晶体塑性理论的框架下引入内禀尺度参数来表征晶体材料在微米量级下的尺度效应。并通过该修改后的本构模型来模拟单晶Cu的微扭转和微弯曲中的尺度相关力学响应,以及多晶材料中宏观力学性能与晶粒尺寸的Hall-Petch关系。同时,所开发的UMAT用户子程序也能模拟含微孔洞、微增强颗粒、微纤维等的两相材料的尺度相关力学响应。作为特例,本文采用用户子程序成功地模拟了微孔洞大小、形状对二相多孔材料的宏观力学性能的影响。

关键词：晶体塑性理论应变梯度理论微孔洞微扭转尺寸效应多晶H-P效应