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晶體塑性有限元仿真入門(mén)(5)—?dú)W拉角與晶體取向.pdf晶體塑性有限元仿真入門(mén)(5)—?dú)W拉角與晶體取向 備注：網(wǎng)頁(yè)排版有亂碼，建議下載附件pdf查看晶體取向是材料學(xué)科中的重要分支，當(dāng)晶粒發(fā)生擇優(yōu)取向時(shí)，則導(dǎo)致材料性能（力學(xué)，物理和化學(xué)性能）的各向異性。

在塑性變形階段，對(duì)于所有考慮的晶體取向，鋸齒出現(xiàn)在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上(圖4)，這是由于初始位錯(cuò)密度無(wú)法應(yīng)對(duì)變形過(guò)程中的應(yīng)變速率造成的。CPFE模型在不同單晶取向下的初始滑移抗力s0由應(yīng)力-應(yīng)變曲線的初始屈服量估算而來(lái)。具體來(lái)說(shuō)，CRSS是從DDD模擬的應(yīng)力應(yīng)變曲線中提取的。由于曲線波動(dòng)明顯(圖4)，各晶體取向的提取值均表現(xiàn)為第一偏差線性，偏移率為0.02%，偏移率為0.04%。

（5）當(dāng)使用MAXPS方法時(shí)，通常觀察到最小的數(shù)值不穩(wěn)定性，因?yàn)楫?dāng)裂紋穿過(guò)晶界時(shí)，多晶體模型中的方向沒(méi)有發(fā)生快速變化（6）晶體各向異性顯著影響裂紋的形核和擴(kuò)展過(guò)程。結(jié)果表明，甚至裂紋成核位置也隨晶體取向的變化而變化。

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(gè)晶粒都有其特定的晶體取向，并且每個(gè)晶粒的變形過(guò)程均考慮了滑移和孿晶的變形機(jī)制。

為了能夠精確描述孿晶激活演化及其與位錯(cuò)交互作用對(duì)宏觀塑性行為的影響，來(lái)自于天津理工大學(xué)的郭祥如和申俊杰兩人基于晶體塑性理論建立描述孿晶形核、增殖和長(zhǎng)大的位錯(cuò)密度基晶體塑性本構(gòu)模型，揭示了不同晶體取向Cu單晶拉伸變形過(guò)程中位錯(cuò)滑移、孿生激活及其交互作用下的宏觀塑性行為演化規(guī)律，進(jìn)一步分析了Cu多晶拉伸變形過(guò)程中晶粒間交互作用對(duì)孿生軟化、應(yīng)變硬化等宏觀塑性行為的影響。

黃永剛院士編寫(xiě)的單晶晶體塑性UMAT，主要用于在Abaqus有限元仿真中進(jìn)行單晶及多晶晶體塑性變形的計(jì)算，是許多科研工作者學(xué)習(xí)晶體塑性模擬的教學(xué)資源。可以在其基礎(chǔ)上對(duì)硬化模型進(jìn)行修改，甚至引入損傷。UMAT主要應(yīng)用于隱式分析，而對(duì)于大變形接觸問(wèn)題，隱式分析往往計(jì)算效率較低。

于是，晶界不再只是一個(gè)統(tǒng)一的強(qiáng)化層，而變成了一個(gè)和晶界取向、兩側(cè)晶粒取向、入射滑移系、出射滑移系都有關(guān)的局部障礙。這個(gè)思想非常適合和晶體塑性模型結(jié)合，因?yàn)?em>晶體塑性本來(lái)就是逐滑移系計(jì)算的。在作者的模型中，晶界通透性可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為晶界障礙應(yīng)力。通透性越高，障礙應(yīng)力越小；通透性越低，障礙應(yīng)力越大。

為解決這一問(wèn)題，作者提出了一種并發(fā)多尺度建模方法：宏觀結(jié)構(gòu)層面采用顯式有限元模擬方管壓潰；每個(gè)積分點(diǎn)內(nèi)部嵌入一個(gè)由多個(gè) FCC 晶粒組成的多晶聚集體；晶粒層面采用 Marin 晶體塑性模型描述滑移、硬化和晶格旋轉(zhuǎn)；最后通過(guò) Taylor 型均勻化獲得積分點(diǎn)平均應(yīng)力。這樣，宏觀有限元計(jì)算不再只依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)塑性曲線，而是能夠?qū)崟r(shí)考慮晶粒取向和織構(gòu)演化對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。

文章doi：10.1016/j.ijplas.2019.04.009 推薦理由：作者通過(guò)原位拉伸實(shí)驗(yàn)和基于位錯(cuò)密度的晶體塑性模型研究了圓柱形孔以及不同取向對(duì)于單晶鎳基高溫合金變形行為的影響，作者研究揭示了孔的添加會(huì)導(dǎo)致多軸應(yīng)力狀態(tài)，有利于塑性變形和各向異性塑性，而對(duì)于多孔試樣，孔隙之間相互作用會(huì)引起某些區(qū)域滑移，從而增強(qiáng)側(cè)孔附近的塑性滑移而抑制中心孔周?chē)?em>塑性滑移，從而造成孔隙之間的非均勻變形造成裂紋出現(xiàn)

CPFE結(jié)果還揭示了梯度應(yīng)力和梯度塑性應(yīng)變的非均勻空間分布，這是隨機(jī)晶粒取向和梯度晶粒尺寸共同作用的結(jié)果。

晶粒尺寸對(duì)純金屬和合金的屈服強(qiáng)度和流動(dòng)應(yīng)力都有影響，如廣泛接受的的Hall-Patch現(xiàn)象（流動(dòng)應(yīng)力和晶粒尺寸的平方根成反比）關(guān)于該現(xiàn)象一個(gè)普遍接受的解釋是晶界處位錯(cuò)的堆積效應(yīng)，這種效應(yīng)于晶界類(lèi)型，位錯(cuò)類(lèi)型，晶粒之間取向差密切相關(guān)，同時(shí)晶界處的應(yīng)力集中程度也近似的被認(rèn)為與晶界距離的平方根相關(guān)，基于應(yīng)變梯度塑性理論發(fā)展的晶體塑性模型可以較好的展現(xiàn)這種特征，但一些分析認(rèn)為應(yīng)變梯度理論模型仍然存在唯象的成分

8.0版本介紹：晶體塑性有限元 Abaqus 三維泰森多邊形（voronoi模型）插件 V8.09.0相比于8.0增添三項(xiàng)功能如下：1.

重劃分 Remeshing + 狀態(tài)變量映射（最通用） 當(dāng)網(wǎng)格畸變到閾值，換一張“干凈網(wǎng)格”，把舊網(wǎng)格的歷史狀態(tài)（取向、硬化、位錯(cuò)密度等）映射到新網(wǎng)格繼續(xù)算——這是很多晶體塑性/微觀模擬里最常用的工程化路線。

同時(shí)進(jìn)行同取向晶體單一材料模擬對(duì)比分析，應(yīng)力圖如下： 同材料Voronoi晶體的軸壓試驗(yàn)中，不同晶格之間的應(yīng)力無(wú)明顯差異性，無(wú)晶格取向的晶體力學(xué)性能更趨向于各項(xiàng)同性材料，因此多晶結(jié)構(gòu)的差異主要在于晶體取向的不同。

而研究微細(xì)觀尺度的變形不均勻性是新材料開(kāi)發(fā)及優(yōu)選的重要準(zhǔn)則，晶體塑性有限元方法將晶體塑性理論和有限元軟件進(jìn)行了恰當(dāng)?shù)娜诤希蔀檠芯考?xì)觀層次塑性變形行為的強(qiáng)有力工具。

顯式模擬的顯著優(yōu)勢(shì)就是在大變形接觸方面，通過(guò)大變形測(cè)試顯式晶體塑性計(jì)算效率。共包含兩個(gè)案例。案例一：包含1000個(gè)晶粒20萬(wàn)單元在工程應(yīng)變30%情況下，多晶變形模擬的結(jié)果。其中初始取向隨機(jī)，采用質(zhì)量縮放加快求解效率，模擬采用經(jīng)典的唯象模型，硬化基于Voce硬化定律（Vpsc應(yīng)用的硬化）（可以考慮初始的高應(yīng)變硬化以及后期的低應(yīng)變硬化）。模擬材料為鎳基高溫合金，參數(shù)取自文獻(xiàn)。

? 基于Prisms晶體塑性軟件FCC材料拉伸壓縮軋制的織構(gòu)演化 案例實(shí)操 1，基于dream3d管道生成長(zhǎng)寬高為32*32*32的多晶模型，共包含322個(gè)晶粒 2，對(duì)于fcc，bcc材料分別施加工程應(yīng)變?yōu)?0%的拉伸和壓縮載荷 3，得到材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線和變形后的取向分布情況 材料的初始取向分布 初始的晶體幾何模型 拉伸變形后材料的等效應(yīng)力分情況