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梯度晶粒结构材料拉伸断裂行为的晶体塑性有限元模拟 被引量:3
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作者 王彪 王姝予 +3 位作者 熊宇凯 赵建锋 康国政 张旭 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第8期2271-2281,共11页
梯度晶粒结构材料通过在材料内部构筑由纳米晶、细晶渐进过渡至粗晶的微结构,使其展现出诸多优异的力学性能,如高强度、高韧性和抗疲劳性等.工程材料在长期服役过程中,不可避免会发生疲劳和断裂,严重威胁材料的服役安全和使用寿命.相关... 梯度晶粒结构材料通过在材料内部构筑由纳米晶、细晶渐进过渡至粗晶的微结构,使其展现出诸多优异的力学性能,如高强度、高韧性和抗疲劳性等.工程材料在长期服役过程中,不可避免会发生疲劳和断裂,严重威胁材料的服役安全和使用寿命.相关实验研究报道了纳米晶材料具有沿晶断裂的特点,且抗断裂性能与晶粒尺寸相关,然而梯度晶粒结构材料具有复杂的晶粒尺寸分布,其断裂机理仍需进一步揭示.为此,基于晶体塑性有限元方法,将Cohesive单元植入有限元模型的多晶晶界处,分别模拟了均匀晶粒结构铜和梯度晶粒结构铜的单拉力学性能,并研究了预制裂纹对梯度晶粒结构材料裂纹扩展的影响.结果表明,所提出的晶体塑性本构模型结合晶界损伤机制可以有效模拟梯度晶粒结构材料的塑性变形以及裂纹扩展过程.在单轴拉伸变形下,梯度晶粒结构材料展现了应力与塑性应变的梯度分布特征.一方面,由于晶粒尺寸效应,尽管基体细晶区具有相对较低的流动应力,但是表层纳米晶强度高.此外,由于应变硬化能力的不同,尽管纳米晶区域表现出较低的塑性应变,但细晶区域呈现较高的塑性变形能力.因此,梯度晶粒结构通过强度与应变硬化能力的差异,有效地优化了强度与韧性的协同作用,从而增强了抵抗裂纹扩展的能力.纳米晶区域预制裂纹对梯度晶粒结构材料的强度影响较大,因此抑制纳米晶区域的裂纹萌生有助于晶粒结构材料的安全服役. 展开更多
关键词 梯度晶粒结构 晶体塑性有限元方法 内聚力单元 断裂行为
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ZK61镁合金热轧板晶体塑性变形和织构演化机制
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作者 卫宏喆 陈明 +3 位作者 王浩雷 刘庆杰 胡小东 赵红阳 《材料工程》 北大核心 2025年第6期172-187,共16页
采用宏观有限元模拟与微观晶体塑性分析相结合的方法对六道次热轧ZK61镁合金中厚板的晶体内应力和织构演化进行研究。根据轧制实验与拉伸实验建立相应同步热轧模型并进行仿真计算,将模拟结果作为边界条件代入到基于Voronoi图的多晶体塑... 采用宏观有限元模拟与微观晶体塑性分析相结合的方法对六道次热轧ZK61镁合金中厚板的晶体内应力和织构演化进行研究。根据轧制实验与拉伸实验建立相应同步热轧模型并进行仿真计算,将模拟结果作为边界条件代入到基于Voronoi图的多晶体塑性模型中,再应用晶体塑性有限元方法对多晶体模型进行同步热轧模拟,得到各道次热轧态ZK61镁合金的塑性参数和织构极图,并分别与拉伸实验结果和电子背散射衍射实验导出的织构极图进行对比分析,归纳出不同道次下热轧ZK61镁合金晶体塑性变形与织构演化机制。结果表明:经多道次热轧后的ZK61板材存在大量孪晶与动态再结晶,晶粒均匀细化效果明显,其基面织构极密度与轧制道次整体呈正相关,不同道次下的峰值取向差角存在较大差异(8°、28°、88°),且合金力学性能得到改善,强度提升了7.55%,伸长率达到19.5%。 展开更多
关键词 ZK61镁合金 热轧 数值模拟 晶体塑性有限元方法 微观结构 织构演化 力学性能
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晶体塑性有限元分析开孔对多晶板材力学性能的影响
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作者 胡晓郁 都亚鹏 楚海建 《上海大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2021年第3期583-593,共11页
基于ABAQUS子程序VUMAT二次开发平台,将位错和孪晶的演化过程引入晶体塑性有限元方法(crystal plastic finite element method,CPFEM)中,实现了多晶塑性材料力学行为的有限元模拟,并通过试验和模拟结果的对比,验证了所提出方法和二次开... 基于ABAQUS子程序VUMAT二次开发平台,将位错和孪晶的演化过程引入晶体塑性有限元方法(crystal plastic finite element method,CPFEM)中,实现了多晶塑性材料力学行为的有限元模拟,并通过试验和模拟结果的对比,验证了所提出方法和二次开发程序的有效性.应用含孪晶效应的晶体塑性有限元方法模拟分析了孔洞对于板材开孔问题的影响,结果表明:(1)当孔径小于板宽一半时,强度损失采用线性近似估算值是偏于安全的,而超过板宽一半时,不宜采用线性估算值;(2)当孔距较小时,孔径排布方式对开孔板材的韧性以及极限承载力有重要影响,排布方式可分弱影响区、强影响区和过渡区3种模式.对于承受单向拉伸荷载的板材,开孔时应选择沿轴线排布的方式. 展开更多
关键词 晶体塑性有限元方法 多孔板材 位错演化 孪晶机制
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Influence of crystallographic orientation on growth behavior of spherical voids
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作者 张新明 刘文辉 +1 位作者 唐建国 叶凌英 《Journal of Central South University of Technology》 EI 2008年第2期159-164,共6页
The influence of crystallographic orientation on the void growth in FCC crystals was numerically simulated with 3D crystal plasticity finite element by using a 3D unit cell including a spherical void, and the rate-dep... The influence of crystallographic orientation on the void growth in FCC crystals was numerically simulated with 3D crystal plasticity finite element by using a 3D unit cell including a spherical void, and the rate-dependent crystal plasticity theory was implemented as a user material subroutine. The results of the simulations show that crystallographic orientation has significant influence on the growth behavior of the void. Different active slip systems of the regions around the void cause the discontinuity in lattice rotation around the void, and the corner-like region is formed. In the case of the void located at grain boundary, large heterogeneous deformation occurs between the two grains, and the equivalent plastic deformation along grain boundary near the void in the case of θ=45^o (θ is the angle between grain boundary direction and X-axis) is larger than the others. Large difference of orientation factor of the two grains leads to large equivalent plastic deformation along grain boundary, and the unit cell is more likely to fail by intergranular fracture. 展开更多
关键词 crystallographic orientation void growth crystal plasticity user subroutine finite element method
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