變形機制
關注創建者：CPFEM工作室 創建時間：2022-12-06
變形機制的視頻教程
前面課程的補充-多相材料的晶體塑性有限元模擬（fcc/bcc的補充）
本課程是針對前面課程-《包含滑移、孿生變形機制的hcp金屬晶體塑性有限元》的補充，在UMAT中做了適當添加，能完成FCC/BCC的滑移與HCP滑移+孿生的雙相、多相材料晶體塑性建模模擬，注意的是針對FCC/BCC晶體材料，僅有滑移機制，無法進行FCC/BCC孿生的模擬。
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變形機制的實例教程
基于CrCoNi的HEAs表現出多種變形途徑：位錯介導的塑性、孿晶誘導的塑性，以及在特定合金中相變誘導的塑性(TRIP)。在三元CrCoNi合金和非等原子HEAs中，由于其明顯較低的堆垛層錯能，已經報道了涉及fcc向六方密排(hcp)轉變的TRIP效應；然而，到目前為止，還沒有明確的證據表明在經典等原子CrMnFeCoNi Cantor HEA中存在這樣的變形誘導(在環境壓力下)相變。
在此，研究者提供的分析證據表明，在非常高的應變率加載下，Cantor合金中可以觀察到TRIP效應；研究表明，在高應變和/或提高應變率時，一種額外的、但更罕見的變形機制出現了，即固態非晶化，這似乎是極端加載條件下結構轉變的一個特征。層錯和孿晶，沿{111}平面的協調傳播產生高變形區，這些高變形區可重組為六邊形包體；當這些區域的缺陷密度達到臨界水平時，它們會產生非晶材料島。這些區域具有出色的機械性能，提供額外的強化和/或增韌機制，以提高這些合金承受極端載荷的能力。
圖1 鍛造CrMnFeCoNi HEA的初始微觀結構、力學響應和示意圖樣品幾何形狀。
圖2模壓CrMnFeCoNi材料準靜態壓縮變形組織研究。
圖3 動態壓縮/剪切作用下CrMnFeCoNi 材料的變形組織。
圖4 對變形程度增加的等原子CrCoNi基高階材料提出了分層變形機制范式。
綜上所述，研究者認為，非晶化實際上是一種附加的變形機制，除了位錯介導的塑性、機械孿晶和馬氏體fcc→hcp相變外，還提供了多種途徑來耗散所傳遞的應變能。HEAs變形機制的通用性和協同性使其成為極端承重應用的可行候選材料，如沖擊穿透、保護和極端低溫環境。
展開 高頻動態加載下合金多滑移系的開啟和晶粒的大角度多向轉動，也有利于容納塞積的位錯，減少應力集中，并可顯著弱化變形織構。
圖4 不同加載模式下的微觀組織結構演變和變形機制示意圖
基于以上獨特的宏觀變形特性和微觀組織演化機理，采用高頻動態加載模式，對Al80Li5Mg5Zn5Cu5多組元合金進行了三維六邊形結構（直徑2 mm）和二維溝槽（深度80 μm）的模壓成形實驗，如圖5所示，模具的復制比率達到90%以上，最大加載應力為98 MPa，小于合金壓縮強度的1/6，且結構成形在1 s之內完成，實現了多組分熵合金的快速、低應力塑性成形。
可以看出，相比于拉伸變形，壓縮過程中錐面滑移的活性更高因此其發揮了更大的作用去協調變形，而基面滑移活性有所下降，柱面滑移以及拉伸孿晶和壓縮孿晶的變化趨勢則與拉伸變形基本相同。
圖7 VPSC預測的拉伸過程中變形機制活性 圖8 VPSC預測的壓縮過程中變形機制活性
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.%)高熵合金（簡稱iHEA）同時具有多種強化機制和塑性變形機制。在低溫77K下，由于馬氏體相變得到增強，iHEA的應變硬化能力獲得顯著提升，極限應力可達1.3 GPa，且斷裂韌性仍有約45%。然而，實驗研究仍然無法使一些問題得到全面解答：在低溫下，為何粗晶iHEA的屈服應力明顯增加，而細晶iHEA的卻幾乎不變？為何馬氏體相變得到顯著增強，而孿生機制卻幾乎不再激活？這些問題阻礙了對iHEA變形溫度效應的深入理解，也限制了對不同溫度下iHEA力學行為的描述和預測。
針對上述問題，西南交通大學康國政教授團隊建立了考慮溫度效應和晶粒尺寸效應的多物理機制晶體塑性本構模型，量化了不同強化機制和塑性變形機制對iHEA變形行為的貢獻，在準確描述不同溫度下粗晶和細晶iHEA變形響應和馬氏體體積分數演化的基礎上，深入探討分析了上述問題。在此基礎上，預測了不同溫度和不同晶粒尺寸下iHEA的強韌性。相關成果以論文“Temperature effect on tensile behavior of aninterstitial high entropy alloy: Crystal plasticity modeling”發表在固體力學領域頂級期刊International Journal of Plasticity上。論文共同第一作者為西南交通大學張旭教授和四川大學專職博后陸曉翀，通訊作者為康國政教授和張旭教授，合作者包括中國工程物理研究院趙建鋒助理研究員、西南交大闞前華教授和中南大學李志明教授。
展開 這種方法考慮了晶體材料的各向異性、滑移系統的開動和相互作用、以及變形過程中的硬化效應。它主要用于分析和預測晶體材料的塑性變形行為，特別是在微觀尺度上的變形機制。
晶體塑性有限元在材料科學和工程領域有著廣泛的應用，特別是在金屬加工、航空航天、汽車制造和生物醫學等領域。通過這種技術，研究人員和工程師可以更好地理解材料的力學行為，從而開發出更輕、更強、更耐用的材料和產品。此外，晶體塑性有限元仿真還能夠考慮材料的微觀結構特征，如晶粒取向、晶界、相分布以及滑移系統的活動，從而能夠預測材料在細觀尺度上的織構演化。
利用CPFEM方法對鈦合金圓棒拉伸過程進行模擬，使用UMAT子程序以及Abaqus有限元軟件作為晶體塑性有限元分析的實現方式。并且，在一些復雜工藝條件下如切削、軋制、沖壓等，CPFEM方法同樣適用，能夠模擬材料變形過程中的非線性行為和動態響應。
在晶體塑性有限元中，首先在Abaqus中建立了單軸拉伸有限元模型如圖1所示，材料被建模為包含大量晶粒的集合體如圖2所示，每個晶粒都有其特定的晶體取向，并且每個晶粒的變形過程均考慮了滑移和孿晶的變形機制。
圖1 單軸拉伸有限元模型示意圖
圖2 單軸拉伸晶體塑性模型示意圖
通過有限元方法，可以計算出在給定拉伸載荷下，這些晶粒如何相互作用，以及它們如何隨時間變形。這種方法能夠提供關于晶體材料內部應力、應變和變形機制的詳細信息，有助于理解材料在受力時的響應，并優化材料的設計和加工過程。圖3所示為單軸拉伸過程應力云圖，圖4所示為單軸拉伸過程孿晶云圖。
圖3 單軸拉伸過程應力云圖
圖4 單軸拉伸過程孿晶云圖
通過晶體塑性有限元方法，可以對材料變形過程中的晶體學取向信息進行分析。
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結果表明，在 25–232 ℃ 范圍內，模型能夠較好描述溫度升高導致的流動應力降低和硬化行為變化；在 260 ℃ 時，模型在較小應變范圍內仍能較好預測，但高應變階段會出現偏差，這可能與動態回復、動態再結晶等高溫變形機制有關，而這些機制并未被該模型顯式考慮。
為了驗證模型的可遷移性，作者進一步進行了不同溫度下的簡單剪切模擬。
換句話說，這篇文章不是簡單去擬合一條應力—應變曲線，而是試圖回答：鎂合金在室溫下究竟是靠哪些機制在變形，這些機制又如何共同決定宏觀響應。
這篇工作的建模核心思想：
第一，它非常強調孿晶不是附屬機制，而是主導機制之一。在 HCP 鎂合金里，單靠常規滑移并不能解釋很多室溫下的實驗現象，尤其是壓縮拉伸不對稱和織構快速變化。
考慮GND的大變形冷軋模擬4個月前
參考文獻：《Rolling deformation mechanism of dual-phase NiTiNb shape memory alloy thin strip based on crystal plasticity finite element method》
該文章聚焦雙相 NiTiNb 形狀記憶合金薄帶在 20% 軋制壓下量下的微觀變形機制，作者用晶體塑性有限元（CPFEM）
在晶體塑性有限元中，首先在Abaqus中建立了單軸拉伸有限元模型如圖1所示，材料被建模為包含大量晶粒的集合體如圖2所示，每個晶粒都有其特定的晶體取向，并且每個晶粒的變形過程均考慮了滑移和孿晶的變形機制。
為了研究循環加載下溫度和應變率對疲勞力學性能和變形機理的影響，分別在300K溫度下和應變率為1×109s-1的條件下進行了模擬計算，此外，還考慮了正弦形波循環加載對力學性能和變形機制的影響。
圖7 VPSC預測的拉伸過程中變形機制活性 圖8 VPSC預測的壓縮過程中變形機制活性
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即使使用了雜交單元一次三角形或者四面體，對于近似采用不可壓縮材料，如果沒有物理機制的變形采用全積分單元發生體積自鎖。</p><p class="ql-align-justify"><br></p>
文章doi：10.1016/j.mechmat.2021.103830
推薦理由：文章采用晶體塑性有限元模擬，揭示了NiTi形狀記憶合金（SMA）在400℃罐裝壓縮下的塑性變形機制，將統計存儲位錯（SSD）和幾何必要位錯（GND）密度納入應變梯度的晶體塑性本構模型。在CPFE模擬的基礎上，獲得了織構演化、應力應變場、SSD和GND密度。
文章doi：10.1016/j.actamat.2023.119103
文章通過原位EBSD實驗和晶體塑性有限元方法，研究了晶界遷移對局部變形的微觀影響機制，并進行了定量分析，作者的研究結果表明，晶界遷移不會改變激活的滑移系統，同時晶界遷移造成的應力下降與孔隙閉合造成應力下降的機理類似，并探討了GND造成的硬化，晶界遷移與材料拉伸行為的關聯機制。
(c) SiC/CF-GA 氣凝膠壓縮變形機制示意圖。(d) 演示在使用 SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠的閉合電路中，LED 燈在壓縮和釋放條件下的亮度變化。(e) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠在0至 11.9千帕工作壓力下的相對電流變化（ΔI/I0）曲線。(f) SiC/CF-GA 1:1 氣凝膠傳感器在 80% 壓縮應變下壓縮 600 秒之前和之后的相對電阻變化（ΔR/R0）響應。
