EBSD實(shí)驗(yàn)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2022-06-28
EBSD實(shí)驗(yàn)的視頻教程
基于EBSD實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的晶體塑性有限元建模(CPFEM,CP-FEM)與分析
本課程將介紹，如何通過實(shí)驗(yàn)獲得的EBSD數(shù)據(jù)，構(gòu)建晶體塑性有限元模擬的微觀組織模型，從而實(shí)現(xiàn)基于EBSD實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的晶體塑性有限元建模(CPFEM,CP-FEM)與分析。
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基于EBSD實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的晶體塑性有限元建模-更新方法
針對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試ebsd數(shù)據(jù)，結(jié)合mtex，對(duì)ebsd數(shù)據(jù)進(jìn)行清理，最終建立基于實(shí)驗(yàn)ebsd結(jié)果的晶體塑性模型，并輸出inp文件。 附件中包含課件中作為例子的cft，以及主要的腳本程序。
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基于Abaqus軟件的晶體塑性有限元分析v2.0-(0)-前言介紹
實(shí)驗(yàn)獲得的晶粒尺寸分布構(gòu)建晶粒幾何模型，并基于EBSD實(shí)驗(yàn)獲得的晶粒取向信息構(gòu)建晶粒材料模型的教學(xué)，如何修改inp關(guān)鍵字文件，宏細(xì)觀耦合的基礎(chǔ)理論，如何采用子模型技術(shù)以及后處理提取數(shù)據(jù)的教學(xué)等。
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EBSD實(shí)驗(yàn)的實(shí)例教程
文章doi：10.1016/j.actamat.2023.119103
文章通過原位EBSD實(shí)驗(yàn)和晶體塑性有限元方法，研究了晶界遷移對(duì)局部變形的微觀影響機(jī)制，并進(jìn)行了定量分析，作者的研究結(jié)果表明，晶界遷移不會(huì)改變激活的滑移系統(tǒng)，同時(shí)晶界遷移造成的應(yīng)力下降與孔隙閉合造成應(yīng)力下降的機(jī)理類似，并探討了GND造成的硬化，晶界遷移與材料拉伸行為的關(guān)聯(lián)機(jī)制。研究對(duì)于增材結(jié)構(gòu)的缺陷探討具有較強(qiáng)的啟發(fā)意義。
作者的研究對(duì)象為316L合金,包含兩個(gè)不同溫度歷史的樣品。如下圖所示
原位的EBSD拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖
作者數(shù)值研究使用的本構(gòu)模型
流動(dòng)方程（熱激活）：
硬化模型（位錯(cuò)理論）：
其中SSD的演化為：
gnd的計(jì)算：
基于L2范數(shù)最小化計(jì)算得到唯一解
材料參數(shù)為：
數(shù)值模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：
研究得到的結(jié)論為：
（1）晶界遷移顯著緩解了孔隙周圍的應(yīng)力集中（從1100 MPa到830 MPa），對(duì)3μm到1μm的孔隙閉合表現(xiàn)出等效的應(yīng)力緩解效果
（2）晶粒取向效應(yīng)（~50 MPa）對(duì)空隙附近應(yīng)力減輕的影響明顯小于晶界遷移效應(yīng)（~280 MPa）
推薦該文章的兩個(gè)原因是：
（一）文章的概念圖非常出色，同時(shí)思考問題很有工程意義。
（二）模型的數(shù)值方法計(jì)算GND和SSD以及熱激活流動(dòng)非常易于數(shù)值實(shí)現(xiàn)，同時(shí)數(shù)值計(jì)算非常高效，并在晶體塑性研究中被廣泛用于。
展開 之前l(fā)ingzhi老師有講通過《基于EBSD實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的晶體塑性有限元建模》，DAMASK也可以，通過mtex和其內(nèi)部的轉(zhuǎn)化命令實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在還是限于二維和準(zhǔn)三維（本人都有研究，如有需求可私信）；不過Dream3D（開源軟件）可以將EBSD數(shù)據(jù)進(jìn)行處理直接輸出DAMASK模擬所需要的的幾何文件（這部分本人還沒有研究），也有和ABAQUS的接口輸出inp文件，感興趣的同學(xué)可以自行去搜索學(xué)習(xí)。
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展開 結(jié)合電子背散射衍射（EBSD）實(shí)驗(yàn)與耦合熱–力的多晶相場(chǎng)模擬，揭示電鍍 TXV-Cu 在退火過程中的晶粒演化行為及其對(duì)可靠性的影響;基于相場(chǎng)方法的退火晶粒演化模型，將溫度依賴的界面遷移率、界面能及熱膨脹效應(yīng)納入描述框架，從而在數(shù)值模擬中再現(xiàn) TXV-Cu 的微觀組織演變過程。該模型不僅能夠?yàn)?em>實(shí)驗(yàn)觀察提供理論支撐，還可進(jìn)一步用于預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)下 TXV-Cu 的組織演化規(guī)律，為優(yōu)化工藝與提升器件可靠性提供指導(dǎo)。
Ti層與Al層組織演化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比
上圖由EBSD實(shí)驗(yàn)并基于Sachs模型和泰勒模型得到，拉伸方向與橫向平行。
圖14.裂紋和塑性變形對(duì)LMC塑性的貢獻(xiàn)
【小結(jié)】
原位中子衍射、原位DIC以及原位μ-CT共同揭示了層狀結(jié)構(gòu)對(duì)LMC形變及斷裂行為的影響及其強(qiáng)韌化機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)層狀結(jié)構(gòu)改變了LMC在形變過程中的應(yīng)力狀態(tài)，其變形可分為三個(gè)階段（彈性階段、彈-塑性階段及塑性階段），變形階段的劃分與組元層的彈性模量、屈服強(qiáng)度及層狀結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。在變形不同階段均存在明顯的應(yīng)力分區(qū)現(xiàn)象，盡管這種應(yīng)力分區(qū)行為有利于改善Ti層與Al層間的變形協(xié)調(diào)性，但同時(shí)導(dǎo)致了界面處內(nèi)應(yīng)力的累積。此外，在層狀結(jié)構(gòu)下，應(yīng)變轉(zhuǎn)移行為能緩解Ti層的應(yīng)變局域化，從而提高Ti的塑性。界面處的內(nèi)應(yīng)力累積和Ti層應(yīng)變局域化都能促進(jìn)裂紋過早在界面處形核，但這些裂紋的擴(kuò)展受到了層狀結(jié)構(gòu)的限制，這是LMC展現(xiàn)出高塑性的原因之一。文章不僅形象有力地揭示了層狀結(jié)構(gòu)對(duì)LMC塑性改善的作用，而且為研究設(shè)計(jì)高性能LMC材料指明了新方向。
展開 于是多種層析技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，如三維EBSD，APT等。盡管如此，人們也只能在三維空間里在一定程度上認(rèn)識(shí)和表征微觀組織的特征。
一些特別的科學(xué)問題，如凝固過程中微觀組織是如何演變的？這涉及到更多維度空間，除了三維空間以外，還增加了時(shí)間和溫度場(chǎng)等。由于問題的復(fù)雜性，直到今天，人們也沒有完全認(rèn)識(shí)和徹底呈現(xiàn)凝固過程中的微觀組織演化。
科研人員在為此不斷努力，金屬的凝固通常發(fā)生在高溫，一般的表征手段是無法觀察金屬凝固過程的，同步輻射成為其中最有競(jìng)爭(zhēng)力的手段。
何為同步輻射
在過去的幾年里，材料研究的前沿領(lǐng)域取得了迅速的進(jìn)展，主要（但不完全）是第三代同步輻射源（E SRF、APS和SPring-8）。一種強(qiáng)大的新興工具，這能真正洞察人們感興趣的材料和過程，并擴(kuò)大我們對(duì)材料前沿的基本理解。
中國(guó)第一臺(tái)第三代同步輻射裝置上海光源總投資超過14億元
同步輻射是相對(duì)論和超相對(duì)論電子在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的輻射，是高能天體物理學(xué)中的主要過程。它最初是在早期的電子感應(yīng)加速器實(shí)驗(yàn)中觀察到的，在實(shí)驗(yàn)中電子首先被加速到超相對(duì)論能量，加速器發(fā)出強(qiáng)大X射線輻射。同步輻射的高亮度、高方向性和能量可變性使其具有不同于其它X射線源的特性，是材料科學(xué)研究和材料開發(fā)的重要工具。
圖1 同步輻射產(chǎn)生原理和使用方法
圖1說明了同步加速器產(chǎn)生同步輻射的概況。20世紀(jì)80年代使用的同步輻射是用彎曲的電磁鐵沿著圓形路徑彎曲離子而發(fā)出的。自20世紀(jì)90年代以來，一種被稱為波動(dòng)器的磁路被用來主動(dòng)振蕩電子路徑，創(chuàng)造了一種利用干涉效應(yīng)提取強(qiáng)X射線的技術(shù)。
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EBSD實(shí)驗(yàn)的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
EBSD實(shí)驗(yàn)的最新內(nèi)容
結(jié)合電子背散射衍射（EBSD）實(shí)驗(yàn)與耦合熱–力的多晶相場(chǎng)模擬，揭示電鍍 TXV-Cu 在退火過程中的晶粒演化行為及其對(duì)可靠性的影響;基于相場(chǎng)方法的退火晶粒演化模型，將溫度依賴的界面遷移率、界面能及熱膨脹效應(yīng)納入描述框架，從而在數(shù)值模擬中再現(xiàn) TXV-Cu 的微觀組織演變過程。
文章doi：10.1016/j.actamat.2023.119103
文章通過原位EBSD實(shí)驗(yàn)和晶體塑性有限元方法，研究了晶界遷移對(duì)局部變形的微觀影響機(jī)制，并進(jìn)行了定量分析，作者的研究結(jié)果表明，晶界遷移不會(huì)改變激活的滑移系統(tǒng)，同時(shí)晶界遷移造成的應(yīng)力下降與孔隙閉合造成應(yīng)力下降的機(jī)理類似，并探討了GND造成的硬化，晶界遷移與材料拉伸行為的關(guān)聯(lián)機(jī)制。
圖6 EBSD分析的工作原理(多晶體分析)
晶體取向分析
歐拉角
通過EBSD實(shí)驗(yàn)，我們可以獲得多晶體試樣表面m*n個(gè)采樣點(diǎn)的取向信息(Euler1、Euler2、Euler3)。與彩色圖像每個(gè)像素點(diǎn)存在RGB三組信息類似，取向信息的每個(gè)采樣點(diǎn)存在三組歐拉角角度信息，這三組角度信息代表了晶格在空間中的唯一取向信息。
其次，模擬了高分辨率電子背散射衍射（HR-EBSD）實(shí)驗(yàn)的二維（單體素厚）重建，提取并比較了兩個(gè)晶粒的組合，以確定實(shí)驗(yàn)中的殘余彈性應(yīng)力與所提出的模型預(yù)測(cè)的殘余彈性力的比較情況。
理論部分（基于亞彈性框架）：
晶體塑性對(duì)應(yīng)的流動(dòng)方程（冪律流動(dòng)）
晶體塑性對(duì)應(yīng)的硬化方程（Voce硬化）
對(duì)于鋯合金考慮了基面，柱面，錐面滑移，對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)為
損傷基于udmgini子程序經(jīng)進(jìn)行編寫，用于確定裂紋萌生位置，并根據(jù)能量準(zhǔn)則確定裂紋擴(kuò)展情況
程序框架為：
基于ebsd的實(shí)驗(yàn)建模
四類準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果如下：
不考慮xfem
（g）顯示了通過EBSD實(shí)驗(yàn)分析的hcpa-Mg枝晶的首選生長(zhǎng)方向。
鈦合金凝固行為
圖8顯示了Ti64_900C_-HT條件在24小時(shí)老化后的明場(chǎng)STEM圖像，并附有能量色散譜（EDS）圖，表明這些細(xì)化沉淀物貧于β穩(wěn)定元素V和Fe，富含Ti和Al，因此由極為精煉的二次α板條組成。
時(shí)效前Ti64_900C_HT組織中未觀察到這種特征。
之前l(fā)ingzhi老師有講通過《基于EBSD實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的晶體塑性有限元建模》，DAMASK也可以，通過mtex和其內(nèi)部的轉(zhuǎn)化命令實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在還是限于二維和準(zhǔn)三維（本人都有研究，如有需求可私信）；不過Dream3D（開源軟件）可以將EBSD數(shù)據(jù)進(jìn)行處理直接輸出DAMASK模擬所需要的的幾何文件（這部分本人還沒有研究），也有和ABAQUS的接口輸出inp文件，感興趣的同學(xué)可以自行去搜索學(xué)習(xí)。
Ti層與Al層組織演化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比
上圖由EBSD實(shí)驗(yàn)并基于Sachs模型和泰勒模型得到，拉伸方向與橫向平行。
圖14.裂紋和塑性變形對(duì)LMC塑性的貢獻(xiàn)
【小結(jié)】
原位中子衍射、原位DIC以及原位μ-CT共同揭示了層狀結(jié)構(gòu)對(duì)LMC形變及斷裂行為的影響及其強(qiáng)韌化機(jī)理。
