金属增材制造过程中材料微观组织演化的模拟研究

金属增材制造是集设计、制造一体化的一种新型金属构件制造技术, 在航天航空、交通运输、生物医疗等领域具有广阔的应用前景. 金属增材制造材料的力学性能与其材料微观组织密切相关. 因此, 发展金属增材制造过程中材料微观组织的模拟方法, 有助于指导和优化金属增材制造的工艺参数和流程, 从而制备出性能优异的金属材料. 本文发展了基于连续体假设的热传导模型与元胞自动机相结合的模拟方法, 并利用生死单元方法, 考虑晶粒的重熔和再生长过程, 解决了金属增材制造中多层粉末制造的数值模拟问题. 本文采用该方法模拟了镍基合金IN718、不锈钢316L和高熵合金FeCoCrNiMn的增材制造过程, 并获得了这些增材制造合金的典型材料微观组织, 其模拟结果与实验结果相吻合. 同时, 将该方法拓展到三维尺度的模拟, 研究了镍基合金IN718增材制造过程中三维晶粒的形核和生长. 最后, 对金属增材制造过程中材料微观组织演化的模拟研究中的主要问题进行了总结和展望.      

增材制造微结构演化及疲劳分散性计算

为了预测增材制造中工艺参数?微结构?力学性能之间的关联规律, 提出了集成离散元、相场模拟、晶体塑性有限元和极值概率理论的计算方法, 揭示了激光扫描速度对微结构演化、屈服应力和疲劳分散性的影响. 首先, 采用离散元实现了重力作用下粉床在已凝固层表面上的逐层铺设; 其次, 通过热?熔体?微结构耦合的非等温相场模拟, 获得了熔体、气孔、晶界、晶粒取向等的时空演化以及最终形成的多晶微结构; 然后, 应用晶体塑性有限元计算了增材制造多晶微结构的宏观力学响应, 并得到表征疲劳裂纹萌生驱动力的疲劳指示参数(FIP); 最后, 采用极值概率理论分析了增材制造多晶微结构的FIP极值分布规律及疲劳分散性. 以316L不锈钢选区激光熔化增材制造为例的计算结果表明: 增材制造微结构的宏观屈服强度随激光扫描速度的增加而降低, 且呈各向异性; FIP极值符合Gumbel极值分布规律, 激光扫描速度增加可降低增材制造微结构疲劳分散性, 但会导致FIP极值升高, 使得疲劳裂纹萌生驱动力增加, 疲劳寿命降低.      

增材制造三维微点阵材料力学性能表征与细观优化设计研究进展

三维微点阵材料是一种由复杂拓扑胞元周期性排列构成的超轻质结构材料，兼具极低的密度、优越的力学特性和良好的能量吸收等性能，是满足轻量化、抗冲击和多功能集成需求的重要新型战略材料.增材制造技术的快速发展，为三维微点阵材料的制备和优化设计带来了便利的条件，二者的结合为航空航天、轨道交通以及武器装备等领域实现防护结构轻量化和多功能一体化提供了新思路.为阐明增材制造三维微点阵材料的动态力学特性与变形失效机理，进一步开展材料多尺度优化设计，拓展增材制造微点阵材料在冲击防护等领域的应用，对增材制造三维微点阵材料力学行为与设计的研究成果进行了系统的综述和展望.依据增材制造三维微点阵材料的多尺度结构特征，分别评述了不同类型微点阵材料的宏观动力学响应与失效机制、细观性能表征与结构优化设计、微观组织特征与变形机理等方面的研究，展望了未来增材制造三维微点阵材料在冲击防护领域面临的问题和挑战.     

面向增材制造的熔池凝固组织演变的相场研究

激光增材制造(laser additive manufacturing, LAM)技术极适合复杂整体构件的近净成形和高附值损伤件的快速修复. 然而, 激光增材制造熔池内部复杂的动态凝固过程显著影响成形件的终态组织, 进而制约其服役性能. 本文针对激光直接能量沉积(direct energy deposition by laser, DED-L) Inconel 718过程, 构建宏观传热传质与多相场耦合的多尺度数学模型, 解决了熔池宏?微观温度场的直接耦合, 并基于MPI并行程序设计实现了熔池二维的全域定量模拟, 研究了凝固过程中的晶粒演变过程. 结果表明, 模拟的熔池尺寸、凝固界面与实验结果吻合较好. 熔池凝固界面形态和晶体择优取向是影响晶粒演变的重要因素. 在熔池横截面上, 凝固过程主要受温度梯度方向的驱使, 取向与温度梯度方向夹角越小的晶粒占优生长. 在纵截面上, 晶粒的生长表现出弯曲生长以及“上三角”的晶粒特征, 温度梯度方向的渐变导致了晶粒弯曲, 相邻晶粒的竞争行为决定了晶粒形貌. 本文阐明了金属激光增材制造晶粒演变的机理, 有助于厘清增材制造热物理、化学、冶金过程, 为凝固组织的预测和调控提供理论指导. 此外, 该多尺度数学模型也适用于其他金属材料的激光增材制造过程.      

一种基于耗散能计算的高周疲劳参数预测方法

在热力学框架下,基于薄板假设,建立金属材料薄板试样在高周疲劳载荷作用下的热传导方程,将试样温度场数据和实时载荷信号导入,准确计算与高周疲劳损伤相关的单个循环内耗散能. 基于该方法,以316L不锈钢材料为例,通过实时监测试样不同应力水平下高周疲劳破坏全过程中耗散能的变化,拟合出耗散能-疲劳寿命曲线,呈现与传统的应力-疲劳寿命曲线相同的规律;提出一种新的预测高周疲劳极限的能量法,确定的疲劳极限与实验值相近.     

基于数据驱动的增材制造铝合金的疲劳寿命预测

增材制造金属材料的疲劳损伤及寿命预测问题是当前研究的热点.论文以增材制造AlSi10Mg为典型应用对象,采用数据驱动方法开展疲劳寿命预测,考虑到其疲劳试验数据有限,采用经过试验验证的可靠的理论模型和数值计算方法来获取足够的疲劳数据,以弥补试验数据的不足.首先,提出了基于缺陷特征参数的疲劳损伤模型,其次,建立了理论模型的数值实现方法,并将数值计算结果与试验结果进行对比,验证了所提方法的可靠性.然后,开展数据驱动模型的训练与预测,采用K最近邻的数据驱动算法预测了增材制造AlSi10Mg的疲劳寿命,最后,深入分析了疲劳寿命随增材制造内部缺陷、疲劳载荷的变化规律,研究了数据驱动模型的训练数据量及模型参数对预测精度的影响.     

电弧增材制造不锈钢动态加载绝热剪切带内组织研究

绝热剪切失效是增材制造金属材料在高应变率载荷下的重要失效方式。使用电火花从冷金属过渡电弧增材技术制备的316L不锈钢单壁上沿着制造方向和扫描方向割出动态加载圆柱试样(尺寸为?4 mm×4 mm)。采用分离式霍普金森杆对增材制造316L试样在应变率4 000到6 000 s^-1下加载至绝热剪切状态,研究了其动态剪切变形行为特别是剪切带内微观组织特征结构。不同应变率动态加载下,电弧增材制造316L不锈钢的动态应力首先由于应变硬化而增大,随后绝热剪切热软化与应变硬化的平衡导致了动态变形最后阶段的应力平台效应。绝热剪切带中亚晶经历了动态再结晶过程,具有与基体完全不同的等轴晶形貌,晶粒尺寸大约在200～300 nm。动态剪切复杂热力过程导致剪切带内的亚晶形成了双重织构,既有与基体一致的沿着压缩方向的<110>丝织构,也有与宏观剪切方向相关的晶体学织构,即(111)沿着宏观剪切面,<112>沿着宏观剪切方向。不同剪切带的等轴亚晶都有大量残余Σ3 60°晶界,同时存在与基体相同的孪生织构,可以证明孪生再结晶是绝热剪切带内亚晶主要的动态再结晶机制。宏观绝热...     

金属材料计算微观力学网格自动生成

金属材料微观结构形态不仅在材料科学中具有重要研究意义，而且也是微、细观力学分析，特别是计算微观力学的研究内容。本文依据冶金物理学理论基础，简化材料微结构形成过程，把数学和几何学结合起来，提出了“随机投放，逐点扫描”构造材料微结构形态的方法，并将此方法的仿真结果进行统计分析，用材料物理概念予以检验，表明仿真结果不丢失晶粒形状、晶粒度等主要统计特征，与真实材料的微结构有良好的一致性。     

焊接接头材质和力学非均匀体低周疲劳特性研究

焊接接头是由母材区、热影响区和焊缝组成的材质和力学性质非均匀体,与均匀材料相比,有关非均匀体低周疲劳特性的研究还相当少,许多问题尚未完全搞清.本文通过16MnR压力容器用钢焊接接头的应变控制低周疲劳试验,采用宏观试验与微观分析相结合的方法,考虑了焊接接头材质和力学非均匀性的影响,对其疲劳特性进行了较为深入的研究,得出一些新的十分有意义的结论.     

热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和抗腐蚀设计方法

对于沿海地区或海洋环境中使用的航空发动机来说, 由于高温、机械载荷和盐雾环境的共同作用, 热腐蚀疲劳破坏是影响其热端部件服役寿命的主要因素. 本文对热端部件低温热腐蚀疲劳损伤机理、寿命模型和防腐蚀设计方法进行了总结、归纳及评述, 提出了未来的研究趋势与发展方向. 首先介绍航空发动机热端部件的热腐蚀疲劳故障案例、损伤演化机理; 其次, 重点分析了低温腐蚀疲劳寿命的唯象模型、损伤力学模型、断裂力学模型以及机器学习模型; 再次, 对几种代表性的考虑腐蚀演化不同阶段的分段式腐蚀疲劳全寿命模型进行综述, 还分析指出了腐蚀疲劳全寿命模型的发展趋势; 从次, 对航空发动机材料选择、零件制造、结构强度设计和外场运行维护不同阶段的抗腐蚀方法进行了综述. 最后, 对增材制造零部件的热腐蚀疲劳问题以及无损检测技术、人工智能等与热腐蚀疲劳研究的结合进行了展望.      

表面纳米化对316L不锈钢低周疲劳性能的影响

超声喷丸(USSP)处理工艺在316L不锈钢表面制备出了纳米表面晶层,对表面纳米化后和未表面纳米化的316L不锈钢试样进行对比拉拉低周疲劳试验,运用数理统计学的方法分析研究了表面纳米化处理对316L不锈钢的低周疲劳性能的影响,并就表面纳米化对疲劳性能的影响机理进行了初步分析探讨.研究结果表明,超声喷丸表面纳米化处理可以有效地提高316L不锈钢的低周疲劳寿命;超声喷丸处理在表面所形成的残余压应力、晶粒细化的纳米强化表层是疲劳寿命提高的主要原因.     

应变控制的热机械疲劳行为的数值模拟

根据高温合金材料的力学性能，以弹粘塑性本构模型为基础，用数值模拟方法研究材料的热机械疲劳循环特性，模型将应变分为弹性应变、温度应变和粘塑性应变三部分，认为材料在高温循环载荷下呈现明显的弹粘塑性特征，根据虚位移原理建立轴对称体的弹粘塑性计算有限元格式，对于循环机械载荷和循环温度载荷，程序中采用了增量法迭代求解，在非线性项中不仅考虑了机械载荷增量的影响，同时也考虑了温度增量的影响，根据应变控制热机械疲劳的特点，发展了应变增量法的有限元计算方法、通过数值模拟，得到材料在各种循环载荷下的应力—应变响应，数值模拟较好地反映了粘塑性变形过程以及温度变化的效应，所描述的不可逆系统在某一时刻的状态完全由当时的状态参数、内变量、承载时间及塑性应变累积量决定，对带缺口试件的模拟结果显示了程序对复杂轴对称结构进行热机械疲劳计算的有效性。     

Fatigue of polycrystalline copper with different grain sizes and texture

Fatigue experiments of polycrystalline copper with different grain sizes and texture were conducted under tension–compression, torsion, and non-proportional loading. The grain sizes ranged from 10 μm to 2 mm. The stress–strain response was found to be a strong function of the grain size and texture. A plasticity-based critical plane multiaxial fatigue criterion was used to predict the fatigue lives of the polycrystalline copper. It was found that the criterion was able to correlate all the experimental results with one single set of material constants. This indicates that the fatigue failure of the material under consideration is dominated by the fatigue resistance of the grains with an insignificant influence of the grain boundaries on the fatigue of the polycrystalline material. It was found that the fatigue model with the material constants obtained from fatigue experiments can be applied to predict failure under monotonic torsion.     

A homogenized microstructural approach to creep fracture

A two-dimensional nonlocal continuum model is proposed in this paper for creep damage in polycrystalline materials. Starting from previous micromechanical modeling, a heuristic homogenization approach is adopted to derive a theory for the macroscopic response. The model accounts for the main damage mechanisms (grain boundary sliding, nucleation, growth and coalescence of cavities along the grain boundaries) responsible for the creep fracture process. The resulting constitutive law takes into account the nonlocalities expressed through the gradients of the stresses and the damage variables.     

对316L不锈钢的非比例循环粘塑性本构描述

对循环硬化的３１６Ｌ不锈钢提出了一个考虑非比例循环加载下流动和硬化特性的粘塑性本构模型。模型中，通过随动硬化的背应力演化以各向同性阻力演化非比例循环路径及其历史的依赖关系来表征材料的非比例循环附加硬化和非比例循环流动特性，将模型用于预测３１６Ｌ不锈钢的圆形，正菱形应变路径的复杂循环变形行为，其预言结果与实验结果吻合很好。     

A micromechanical explanation of the mean stress effect in high cycle fatigue

A micro–macro approach of multiaxial fatigue in unlimited endurance is presented in this study, as an extension of a previous model recently proposed by the authors [Monchiet, V., Charkaluk, E., Kondo, D., 2006. A plasticity–damage based micromechanical modelling in high cycle fatigue. C.R. Mécanique 334 (2), 129–136]. It allows to take into account coupling between polycrystalline plasticity and damage mechanisms which occur at the scale of persistent slip bands (PSB) during cyclic deformation. The plasticity–damage coupled model is obtained by adapting the Gurson [Gurson, A.L., 1977. Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth: part I – yield criteria and flow rules for porous ductile media. J. Eng. Mater. Technol. 99, 2–15] limit analysis to polycrystalline materials to take into account microvoids growth along PSBs. The macroscopic fatigue criterion corresponds to microcracks nucleation at the PSB–matrix interface. It is shown that this criterion accounts for the effect of the mean stress and of the hydrostatic pressure in high cycle fatigue. Such features of HCF are related to the damage micro-mechanisms. Finally, some illustrations concerning the particular case of cyclic affine loadings are presented and comparisons of the predictions of the fatigue criterion with experimental data show the relevance of this new approach.     

低周疲劳随机损伤过程的有限元模拟

讨论了一种低周疲劳下随机损伤演变过程 数值模拟方法，借助于Ｌｅｍａｉｔｒｅ＆Ｄｕｆａｉｌｌｙ给出的代表性体元的微观力学模型，建立了损伤与微裂纹尺寸的关系，采用随机初始损伤反映材料中固的的微缺陷，将所得模型与有限元结合对低周疲劳损伤过程进行了数值模拟。     

基于退相关DIC的疲劳裂纹全局动态测量方法

工程材料和结构在反复荷载长期作用下容易发生疲劳开裂, 疲劳裂纹测量对于开展科学试验研究和工程问题分析都至关重要, 但现有方法无法实现高精度的疲劳裂纹全局动态测量. 本文基于数字图像相关(digital image correlation, DIC)技术, 合理利用DIC的退相关效应, 提出一种疲劳裂纹全局动态测量及可视化方法. 该方法首先在相机采集得到的裂纹图像内, 建立具备拓扑关系的目标点云结构, 并运用DIC亚像素算法得到裂纹区域位移场, 再基于零均值归一化互相关(zero-mean normalized cross correlation, ZNCC)计算结果剔除退相关的DIC目标点(灭点). 进一步通过“三生点”算法提取得到裂纹离散边界, 并采用最小二乘法将离散边界拟合为连续裂纹边界, 实现裂纹形态的几何重构, 最终自动计算得到裂纹长度和宽度的动态变化过程. 该方法原理清晰、理论简单, 易于实现. 开展数值模拟和钢节点疲劳试验, 对相关算法和图像采集参数进行了验证, 结果表明本文方法对疲劳裂纹边界的数字化重构误差在0.5个像素内, 基于重构结果计算得到的裂纹长度和宽度误差分别为0.46像素和0.08像素(类同于0.06 mm和0.01 mm), 并成功实现了对疲劳试验裂纹扩展形态的精细化动态测量及可视化. 研究成果证明了DIC技术用于疲劳裂纹全局动态测量及可视化的有效性, 并在测量精度、效率、成本等方面具有显著优势, 可在实验室测量和工程现场测试中推广应用.      

316L不锈钢在Saline溶液中的微动磨蚀行为研究

采用球－平面接触微动磨损试验设备考察了轧制固溶３１６Ｌ不锈钢在Ｓａｌｉｎｅ溶液中的微动磨蚀行为。研究表明,３１６Ｌ不锈钢的微动过程存在显著的阶段性;微动初期为磨合期,第一稳定阶段摩擦副处于高摩擦应力状态,伴随着不锈钢表面缝隙腐蚀与弹塑性损伤的积累;第二过渡阶段和第二稳定阶段不锈钢表面呈微断裂剥层特征,腐蚀引起的微断裂不可忽视,不锈钢微动损伤表面形貌同微动损伤速率之间存在对应关系。