多晶本構(gòu)建模
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2026-01-05
多晶本構(gòu)建模的實例教程
因此，深入理解梯度結(jié)構(gòu)材料的強韌性機理、微結(jié)構(gòu)演化與宏觀力學響應(yīng)的關(guān)聯(lián)，進而建立描述梯度結(jié)構(gòu)材料變形行為的本構(gòu)模型，成為亟待解決的關(guān)鍵問題。
圖1 不同的梯度微結(jié)構(gòu)示意圖。（來源：盧柯. 梯度納米結(jié)構(gòu)材料，金屬學報 51（2015）1-10）
在國家自然科學基金項目《梯度納米晶粒/孿晶材料的本構(gòu)建模及微結(jié)構(gòu)設(shè)計》（項目編號：1167020206）的資助下，西南交通大學力學與工程學院張旭研究組與德國馬普鋼鐵所Dierk Raabe教授團隊合作開展研究，論文第一作者陸曉翀針對2011年中科院金屬所盧柯院士團隊在《Science》上報道的梯度納米晶粒材料，建立了基于復(fù)雜位錯演化機制的尺寸相關(guān)晶體塑性本構(gòu)模型，并引入了晶粒長大機制和損傷演化模型。依托馬普鋼鐵所Franz Roters教授團隊開發(fā)的多尺度材料模擬平臺DAMASK，實現(xiàn)了本構(gòu)模型的有限元移植。
梯度納米晶粒結(jié)構(gòu)材料有龐大的晶粒數(shù)目，該研究采用均勻化方法簡化有限元模型，可有效地對宏觀尺寸試樣的力學響應(yīng)進行計算模擬。模擬結(jié)果表明，該模型可以很好地描述材料的單拉力學行為與梯度微結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)。根據(jù)變形云圖分析，表層納米晶的晶粒長大機制可以有效緩解應(yīng)力的不均勻分布，協(xié)調(diào)塑性變形，使得材料表層不容易發(fā)生應(yīng)變局域化，延緩了頸縮的發(fā)生。
圖2 考慮和不考慮晶粒長大機制的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖
根據(jù)損傷演化云圖分析，損傷起始于粗晶區(qū)，逐漸擴展到梯度區(qū)，表層納米晶由于高強度，使得損傷很難發(fā)生。基于該模型，研究者進一步調(diào)控梯度層的厚度分數(shù)和粗晶層的晶粒尺寸，預(yù)測了不同梯度微結(jié)構(gòu)下的單拉力學響應(yīng)，給出了強度和韌性的分布圖。模擬結(jié)果表明梯度納米晶粒材料的強度—韌性分布呈現(xiàn)出近似線性關(guān)系，與實驗揭示的規(guī)律一致。
展開 近年來，針對異構(gòu)層狀材料的制備、表征以及單拉和疲勞性能測試已經(jīng)有豐富的研究成果報道，然而，層狀材料的本構(gòu)模型研究還相當匱乏，材料中的多尺度界面（晶界、層間界面）對宏觀力學性能的定量影響不清楚，導(dǎo)致材料微結(jié)構(gòu)與宏觀力學性能缺乏定量關(guān)聯(lián)，限制了材料進一步的性能優(yōu)化。
針對上述問題，西南交通大學“材料本構(gòu)關(guān)系和疲勞斷裂”研究團隊“多尺度材料力學”研究組張旭教授（https://faculty.swjtu.edu.cn/xu_zhang/）與中國工程物理研究院總體工程研究所趙建鋒助理研究員、德國埃爾朗根紐倫堡大學的MichaelZaiser教授、西南交通大學康國政教授、四川大學黃崇湘教授等合作，考慮層狀材料中晶界和層間界面引入的非均勻變形，基于位錯塞積理論引入不同層級的界面對位錯的阻礙效果（如圖1所示），導(dǎo)出了幾何必需位錯密度和背應(yīng)力演化模型，最終建立了關(guān)聯(lián)層狀材料的微結(jié)構(gòu)與宏觀力學響應(yīng)的本構(gòu)模型，并對層狀Cu/Cu10Zn材料進行了模擬。
圖1.層狀材料中晶界和層間界面處位錯塞積示意圖
所建立的本構(gòu)模型可以很好地描述不同晶粒尺寸的均勻晶粒材料以及不同層厚的層狀材料的單軸拉伸響應(yīng)，如圖2所示。
圖2.（a）均勻晶粒結(jié)構(gòu)Cu、Cu10Zn的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比；（b）不同層厚的層狀Cu/Cu10Zn的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比
通過分析發(fā)現(xiàn)，層狀材料中界面引入的非均勻變形程度以及非均勻變形區(qū)域的大小是主導(dǎo)其單拉力學響應(yīng)的關(guān)鍵，對材料強度-韌性有重要影響。
展開 圖1 通過熱力學理論模型計算不同溫度下iHEA的層錯能和Gibbs自由能變化
隨后，發(fā)展了考慮多重強化機制（林位錯、晶界、碳化物顆粒、晶格摩擦力）和塑性變形機制（位錯滑移、變形孿生、馬氏體相變）的晶體塑性本構(gòu)模型，并在不同機制中針對性地引入溫度效應(yīng)。本構(gòu)模型通過德國馬普鋼鐵所開發(fā)的DAMASK平臺移植有限元方法，以用戶子程序的形式與商業(yè)軟件Abaqus進行關(guān)聯(lián)。在驗證多晶Voronoi幾何模型合理性的基礎(chǔ)上，通過模擬實驗加載工況，對本構(gòu)參數(shù)進行識別和校核，驗證本構(gòu)模型的有效性。對比發(fā)現(xiàn)發(fā)展的本構(gòu)模型和所采用的參數(shù)能夠較好地描述iHEA溫度相關(guān)的單拉變形行為（如圖2）和微結(jié)構(gòu)演化（如圖3）。
圖2 不同溫度和晶粒尺寸下iHEA單拉變形行為的模擬和實驗值對比
圖3 不同溫度和晶粒尺寸下iHEA微結(jié)構(gòu)演化的模擬和實驗值對比
最后，利用本構(gòu)模型量化了各種強化機制在iHEA屈服應(yīng)力中的占比（如圖4(a)），分析了不同溫度下孿晶和馬氏體形核應(yīng)力的變化，對低溫下iHEA屈服應(yīng)力變化和馬氏體相變增強等問題進行了討論。通過對比模擬量化了馬氏體相變對iHEA應(yīng)變硬化的貢獻。在此基礎(chǔ)上，通過發(fā)展的本構(gòu)模型和模擬手段，預(yù)測了不同溫度和不同晶粒尺寸下iHEA的強韌性分布（如圖4(b)），相關(guān)規(guī)律可為iHEA的工程服役和性能設(shè)計提供參考。
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高熵合金也被稱為多主元合金
異構(gòu)層狀金屬材料是一類典型的以界面主導(dǎo)力學性能的材料。異構(gòu)層狀材料中相鄰層在成分、厚度、晶粒尺寸、晶體結(jié)構(gòu)、晶體取向等方面均可調(diào)可控，因此微結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有巨大的空間。與傳統(tǒng)均勻金屬材料相比，異構(gòu)層狀金屬材料可將各組元材料的優(yōu)勢協(xié)同發(fā)揮，兼具輕質(zhì)、高強、高韌、熱穩(wěn)定、抗輻照、耐磨損和抗疲勞等性能，引起了學術(shù)界的廣泛關(guān)注，并有望作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)于汽車工業(yè)、航空航天和核防護等領(lǐng)域。 由于具備典型的層狀結(jié)構(gòu)，
強度和韌性是衡量材料性能的兩個重要標準，高強度材料抵抗應(yīng)力的能力很好，而高韌性意味著材料能承受更多的塑性變形。但是，強度和韌性通常無法兼顧，超強材料往往容易發(fā)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致韌性很差，容易斷裂。近年來，能夠很好協(xié)調(diào)強度和韌性的梯度結(jié)構(gòu)材料逐漸興起，并且成為研究熱點，具有很好的應(yīng)用前景。
梯度結(jié)構(gòu)材料在自然界中就普遍存在，例如：竹子和貝殼就是典型的梯度材料，人類和動物的骨骼也具有梯度結(jié)構(gòu)的特征
