DAMASK雙相多晶材料建模的兩類方法
常見的雙相金屬材料:
雙相鋼:鋼是由鐵和碳組成的雙相合金,其中鐵是主要組成成分,而碳在鋼中以固溶體的形式存在。其他合金元素如錳、鉻、鎳等也可以添加到鋼中,以改善其性能。
銅-鋅合金(黃銅):黃銅是由銅和鋅組成的雙相合金。不同比例的銅和鋅可以產生不同類型的黃銅,具有良好的可加工性和耐腐蝕性,廣泛用于制作管道、五金配件和樂器等。
鈦合金:鈦合金是由鈦和其他合金元素(如鋁、釩、鐵等)組成的雙相合金。鈦合金具有低密度、高強度、優異的耐腐蝕性能,廣泛應用于航空航天、醫療器械、汽車等領域。
這些是常見的雙相金屬材料,在使用晶體塑性對雙相或多相結構進行數值模擬時通常有兩種方法,分別為:
(1)實際建立每一項的晶體結構,如DP雙相鋼,分別建立鐵素體和馬氏體的晶體結構,這類模型的主要優勢可以分別去分析單獨相內部晶體的變形特征,取向演化等。
(2)不單獨建立每一項,而將晶粒作為一個整體,按照體積分數的概念處理不同相,如在處理DP雙相鋼時,根據實驗測試結果確定不同相的占比情況,并按照對應的權重分配給對應的相,晶粒的響應代表兩相響應的平均情況,這種方式處理更加簡單,且可以很容易分析相占比不同對宏觀力學性能的影響等。
且DAMASK同時支持兩種方法,可以通過使用類似的模型進行對比,研究兩類方法計算結果的差異。這里以DREAM 3D 為建模軟件,建立兩類模型,模擬DP雙相鋼在周期性邊界體條件下整體的應力應變響應以及織構演化情況。
這里模擬主要參數來源于文章《Integrated experimental–simulation analysis of stress and strain partitioning in multiphase alloys 》
其中鐵素體和馬氏體為BCC結構,這里統一考慮室溫下兩組滑移系統即24個滑移系
使用經典的唯象晶體塑性理論進行描述,對應的材料參數為:
鐵素體:
馬氏體:
方案一:單獨建立每一相(使用鐵素體和馬氏體,體積分數為0.82:0.18)
幾何模型如圖所示(尺寸:0.03*0.03*0.03(mm)包含27000個C3D8R單元,300個晶粒):
網格示意圖
假設兩者為初始隨機取向:
鐵素體:
馬氏體:
施加X方向10%的位移邊界條件
模擬效果如下圖所示:
應力分布情況:
應變分布情況:
應力應變響應:
鐵素體:
馬氏體:
方案二:建立統一相(使用鐵素體和馬氏體,體積分數為0.82:0.18)
為了達到對比的目的,這里不改變原始的晶粒幾何形貌和對應的初始取向,通過修改對應的材料屬性文件即可達到對應的目的,其余體條件保持相同
整體的幾何模型:
整體的初始取向:
模擬效果如下圖所示:
應力分布情況:
應變分布情況:
整體應力應變響應:
可以看到,第一類模型可以表現兩相之間的顯著差異,同時可以分別繪制兩相變形過程中取向演化特征,以及單獨相的流動應力演化,但對于兩相尺寸差異明顯,或其中一相形狀極其不規則情況,使用第二類體積分數平均化響應方法可以避免這類問題的討論。這兩類模擬方法也可以應用于其他材料,如雙相鈦的模擬之中,高溫合金不同相響應等
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