晶體取向分析
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
晶體取向分析的視頻教程
基于Huang的晶體塑性有限元程序入門-3-晶體取向的輸入
本節將介紹如何將以歐拉角形式表達的晶體取向轉化為Prof.Huang晶體塑性有限元程序能識別的Miller表達形式。
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ABAQUS晶體塑性有限元前驅體EBSD及軟件CHannel 5的使用介紹
ABAQUS晶體塑性有限元前驅體EBSD及軟件CHannel 5的使用介紹； 本視頻簡單介紹了晶體取向分析EBSD的原理和用途，并詳細介紹了Channel 5軟件的使用，包括Tango，Mambo，Sala和Twist。
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5.DAMASK晶體塑性有限元平臺案例實戰教程——單晶取向對相鄰晶粒應力和應變分布的影響
課程目標： 對DAMASK晶體塑性有限元平臺的運行原理有基本了解 熟悉掌握DAMASK的前后處理 熟練掌握DAMASK譜求解器的使用 熟練掌握Paraview的使用 章節目錄： 課程簡介 實戰一：(FCC)2D多晶體鋁合金晶體塑性分析 實戰二：(BCC)雙相合金鋼晶體塑性分析 實戰三：(HCP)多晶體晶體塑性分析——Mg 實戰四：單晶取向對相鄰晶粒應力和應變分布的影響
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晶體取向分析的實例教程
圖3 三種具有立方體對稱性的Bravais晶格：simple/primitive cubic (sc), the body centered cubic (bcc) and the face centered cubic (fcc)lattice
實際上的金屬材料大多是多晶體，多晶體是由許多形狀、大小、取向各不相同的單晶體晶粒所組成的，如圖4所示。每個晶粒里面的晶體取向相同(并不完全相同，只是差別很小)，通過電子背散射衍射分析技術(EBSD)分析可以定量獲得這些晶體取向信息。
圖4 EBSD分析獲得的反極圖分布圖(顏色代表取向)，多晶體組成示意圖
EBSD工作原理
如圖5所示，EBSD利用從樣品表面反彈回來的高能電子衍射，得到一系列的菊池花樣。根據菊池花樣的特點得出晶面間距d和晶面之間的夾角θ，從數據庫中查出可能的晶體結構和晶胞參數。再利用化學成分等信息采用排除法確定該晶粒的晶體結構，并得出晶粒與膜面法向的取向關系。通過以上基本操作，可以得到樣品表面測試點的Phase和Orientation實驗數據。
圖5 EBSD分析的工作原理(Phase discriminated, Orientation determined)
通過步進間距將樣品表面劃分為m*n個采樣點，并依次獲得這m*n個采樣點菊池花樣和匹配的Phase、Orientation實驗數據，最后對m*n個采樣點的這些數據進行整理、匯總、計算等，可以進行晶粒尺寸分析、織構分析、相分析、應變分析、再結晶分析、晶界分析、斷裂分析等。
展開 多晶材料幾何模型模型構建采用的CAD Voronoi V2.3版本，可分圖層對晶格進行繪制，分別導入有限元軟件后實現三種晶體取向的差異性。
將構建好的Voronoi多晶體幾何模型文件導入到COMSOL內，構建好晶體結構模型后，進行材料賦值操作，這里采用了三種不同的晶格材料＋一種晶格邊界。
這四種材料楊氏模量E的關系為：晶格邊界<<藍色<<黃色<灰色，其中藍色材料的楊氏模量比黃色小一個數量級，黃色比灰色小一倍，由此來區分不同晶格取向上的力學性能的差異。
對Voronoi晶體模型進行網格劃分后，進行簡單的單軸壓縮模擬，并生成應力分布圖。
通過應力圖可以看出，應力大的位置主要出現在楊氏模量更大的灰色晶格上，這與一般的力學常識相一致。同時可發現較大的晶格邊界應力，這將導致晶格間的劈裂。
同時進行同取向晶體單一材料模擬對比分析，應力圖如下：
同材料Voronoi晶體的軸壓試驗中，不同晶格之間的應力無明顯差異性，無晶格取向的晶體力學性能更趨向于各項同性材料，因此多晶結構的差異主要在于晶體取向的不同。
展開 案例說明
1，建立柱狀單晶鋁模型（直徑10um，高度25um）如下：
2，賦予單晶鋁對應的的單晶材料材料參數，（本案例主要考慮在立方金屬軋板中常見的典型取向）見下表（研究選取了前七種情況+taylor取向）
典型取向
3，進行網格劃分，采用C3D8R單元，共包含網格為5004個單元,網格模型如下：
4，X0面所有自由度均為0，X1面施加X正方向20%工程應變的拉伸位移邊界條件
5，后處理與結果展示（默認圖片中單晶取向與表順序相同）
不同取向單晶拉伸的應力分布云圖
不同取向單晶的累計塑性應變分布云圖
不同取向單晶拉伸過程中應力應變響應
同取向單晶拉伸過程中取向演化（紅色為初始取向，藍色為變形后的取向）
立方取向單晶織構演化
旋轉立方取向單晶織構演化
銅型取向單晶織構演化
黃銅取向單晶織構演化
戈斯取向單晶織構演化
S取向單晶織構演化
R取向單晶織構演化
Taylor取向單晶織構演化
展開 同時對于多滑移系統處理方案之間并不是通用的，因此，在程序內對取向進行更新，同時以狀態變量的形式進行保存，可以很容易避免這類問題。由于網上更新取向的通常只是公式的簡單介紹，這里嘗試結合lingzhi的鎂合金更新取向的方案對黃永剛的原始程序進行修改，并以狀態變量的形式保存。將三個歐拉角分別存儲為SDV123，SDV124，SDV125。
模擬FCC沿著ND方向壓縮50%之后的取向分布，并與之前介紹的基于matlab腳本生成歐拉角的方法對比。
輸入的初始極圖
基于Matlab腳本實現的極圖
寫入fortran狀態變量對應的極圖
可以看到兩者幾乎一致，因此更推薦在Fortran程序內部進行取向更新
這里展示部分修改的Fortran程序，大家可以嘗試參考lingzhi的程序在黃程序的基礎上進行取向更新的加入
優先建議大家自行嘗試修改加入，操作出錯無法解決可以取技術鄰找到我修改后的Fortran程序，鏈接如下：
https://www.yqgqt.org.cn/post/1936806
展開 在huang子程序中進行晶體取向更新 ￥188
微信公眾號對應的Fortran程序和inp案例文件
晶體取向分析的最新內容
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。圖5所示為單軸拉伸過程晶粒歐拉角云圖，其中SDV55、SDV56、SDV57分別對應歐拉角φ1、φ、φ2。
- 可進行多種分析：除了觀察樣品的形貌外，掃描電鏡還可以與其他分析儀器相結合，如能譜儀（EDS）、波譜儀（WDS）等，實現對樣品的成分分析；還可以通過電子背散射衍射（EBSD）技術進行晶體結構和取向分析等。
3、應用領域
- 材料科學：用于研究材料的表面形貌、組織結構、斷口分析等，幫助了解材料的性能與結構之間的關系，為材料的研發、制備和性能優化提供依據。
POL RIBES-PLEGUEZUELO,1,2，*SITE ZHANG,2ERIK BECKERT,1 RAMONA EBERHARDT,1FRANK WYROWSKI,2AND ANDREAS TüNNERMANN1,2
1 Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF, Albert-Einstein-Str
abaqus后處理中顯示晶界可以是多晶塑性分析更加直觀，但abaqus未內置此功能，需要通過二次開發實現，這里分享一個插件用于實現該功能，插件源于一位法國讀博士老哥的分享，將該插件放入到abaqus plug-in中即可輕松的實現后處理晶界的顯示問題
軟件用戶界面：
得到的效果圖如下：
如果您在文章中使用了該插件，請引用該作者對應的兩篇文獻：
1，A physically-based
前期介紹過使用umat中特定步輸出對應的miller指數并結合matlab程序對變形后的模型進行極圖繪制的方法，
參考（https://www.yqgqt.org.cn/video/c198695），
類似的處理方式也可以參考技術鄰的這篇帖子的處理方法
參考（https://www.yqgqt.org.cn/post/1926107），
以及購買某魚上的插件，然而這類似的實現方案通常比較繁瑣
微信公眾號對應的Fortran程序和inp案例文件
隨著近年來EBSD和XRD等表征技術的發展，各種SCI期刊的發文都已離不開對材料晶體學取向的分析。這篇文章介紹晶體塑性有限元仿真過程中的歐拉角與晶體取向。
多晶材料幾何模型模型構建采用的CAD Voronoi V2.3版本，可分圖層對晶格進行繪制，分別導入有限元軟件后實現三種晶體取向的差異性。
將構建好的Voronoi多晶體幾何模型文件導入到COMSOL內，構建好晶體結構模型后，進行材料賦值操作，這里采用了三種不同的晶格材料＋一種晶格邊界。
這四種材料楊氏模量E的關系為：晶格邊界<<藍色<<黃色<灰色，其中藍色材料的楊氏模量比黃色小一個數量級
Johnson-cook 損傷起始準則是延性損傷準則模型的一個特例，用于預測延性金屬中孔洞的形核、生長和聚結導致的損傷起始。該模型假設損傷開始時的等效塑性應變是應力三軸性和應變率的函數。同時可以考慮溫度的影響。
包含的材料參數有：
失效相關參數：d1-d5。
金屬的熔化溫度：<span tabindex="0" data-mathml="
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汽輪機末級葉片由于旋轉速度快、蒸汽濕度大、水滴多，故面臨嚴重的水蝕問題。而沉淀硬化不銹鋼具備較強的綜合性能，如高強度、高韌性、高耐蝕性、高抗氧化性和優異的成形性、焊接性等，是理想的末級葉片的材料。Custom450鋼是17－4PH不銹鋼的第2代改型，屬于馬氏體沉淀硬化不銹鋼，具有良好的耐蝕性、高強度以及良好的加工特性，這類材料在服役過程中往往承受著高速動態載荷。而研究微細觀尺度的變形不均勻性是新材料開發及優選的重要準則
