晶粒的取向和变形性质对双晶体循环变形影响的模拟研究

应用晶体细观力学方法，分析了双晶体循环变形过程中组元晶粒取向及其变形性质（Ｂａｕｓｃｈｉｎｇｅｒ效应和循环硬化）的影响，发现双晶体的反向屈服及循环硬化行为为主要由组元晶粒性质支配，晶间内应力的影响是次要的，晶粒取向对宏微观应力应变行为有重要的影响，取向对称性较弱或罗硬差别较大的双晶体晶界影响较大。     

含与不含晶界空穴的双晶体蠕变行为研究

基于晶体滑移理论,建立了各向异性镍基合金双晶体的蠕变本构模型和蠕变寿命预测模型,通过MARC用户子程序CRPLAW将上述本构模型进行了有限元实现,并对双晶体蠕变行为进行了计算分析,考虑了:(1)晶体取向的影响;(2)垂直、倾斜和平行于外载方向的三种位向晶界情况;(3)晶界处引进空间空穴的影响。结果表明,双晶体上特别是微空穴和晶界附近区域的蠕变应力应变呈现不同的变化规律,对此晶粒晶体取向和晶界位向有较大的影响;微空穴的存在削弱了双晶体的承载能力,显著地影响了双晶体蠕变持久寿命;相同条件下,垂直晶界对双晶体模型的蠕变损伤影响最为强烈,倾斜晶界次之,平行晶界最小;微空穴的生长与晶界位向和晶体取向有强烈的依赖关系,其中垂直晶界更有利于晶体滑移和微空穴生长。     

考虑两种晶界的各向异性双晶和三晶体晶界附近弹塑性应力场分析

采用率相关的晶体滑移有限元程序对具有不同晶体取向的双晶体晶界附近及三晶体三晶粒交汇处的弹塑性应力场进行了计算,考虑了几何晶界和物理晶界的影响.计算结果表明:双晶体及三晶体考虑几何晶界和物理晶界时,这两种晶界具有相同的应力分布趋势,只是物理晶界比几何晶界的应力集中程度小,双晶体晶界附近有较大的应力梯度,存在应力集中现象.三晶体三晶粒交汇处可能是应力集中之地也可能不造成应力集中,这主要取决于晶粒晶体取向及加载方向.由此可见,要准确理解金属材料的断裂过程,还需要从细观的角度对晶界的力学响应进行细致和深入的研究.     

晶体取向对单晶体断裂特征影响的模拟分析

结合Ｎｉ基单晶合金制三种不同晶体取各的紧凑拉伸试样试验，本文利用考虑有限变形和晶格转动效应的晶体滑移有限元程序对单晶体三维裂特征进行了模拟计算分析，详细考察了裂纹尖端三维应力场特征和断裂特征，结果表明：晶体取向对裂纹尖端应力场有较大影响，但应力沿试样厚度方向明显分成两个部分，在试样心部，应力沿厚度方向变化不大，在试样外表面则明显变化，裂纹尖端张开位移（ＣＴＯＤ）沿厚度方向类似分成两个部分，垂直于滑     

铜双晶体的循环应力-应变响应

比较了铜单晶体和多晶体疲劳行为的异同,提出了研究双晶体疲劳行为的必要性．总结了具有不同晶体取向和晶界的铜双晶体的疲劳行为的最新进展．利用平行晶界铜双晶体的取向因子和晶界影响区,总结了在循环载荷作用下的晶界强化模型．分析了垂直晶界铜双晶体循环塑性变形行为的特点,讨论了组元晶体取向对垂直晶界铜双晶体循环应力－应变曲线的影响．提出了提高单晶体和双晶体疲劳强度的控制因素．     

晶体取向对单晶体断裂特征影响的模拟分析

结合Ni基单晶合金制三种不同晶体取向的紧凑拉伸试样试验,本文利用考虑有限变形和品格转动效应的晶体滑移有限元程序对单晶体三维断裂特征进行了模拟计算分析,详细考察了裂纹尖端三维应力场特征和断裂特征,结果表明:晶体取向对裂纹尖端应力场有较大影响,但应力沿试样厚度方向明显分成两个部分,在试样心部,应力沿厚度方向变化不大,在试样外表面则明显变化。裂纹尖端张开位移(CTDD)沿厚度方向类似分成两个部分。垂直于滑移面的应力分量致单晶体的准解理断裂,即裂纹的起裂和扩展途径均与该应力分量有关。     

晶体非比例双滑移的一般运动学

本文对非比例双滑移的变形规律和运动学进行了一般的数学分析。提出了双线性双滑移、逐段线性双滑移的变形梯度张量的解析公式。导出了线元切向量的变形方程以及拉伸轴在极射赤面投影图上位置变化计算公式。 对于任意形式的双滑移,本文提出了运动学分析的精确的数值积分方法。 最后结合面心立方和体心立方晶体,计算了几种典型情况下的拉伸轴旋转。     

考虑晶体取向的Al0.3CoCrFeNi高熵合金动态力学性能研究

鉴于高熵合金材料(high-entropyalloy,HEA)在高应变率动态响应下呈现不同的破坏模式及力学性能,其潜在机理从宏观角度已不能够完全解释,需从微观角度研究其动态响应过程中的原子结构变化、位错分布变化、演变机理及变形机制,为优化HEA防护材料的加工工艺、制备方法等提供参考。利用分子动力学模拟的方法,设计了[100]、[110]和[111]等3种取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金在不同应变率下的压缩、拉伸及冲击试验,分析了动态响应过程中原子结构变化、位错分布变化、演变机理及变形机制。压缩试验中：[110]取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金的屈服强度最高,[111]的次之,[100]的最低;[100]取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金主要的变形机制为孪晶变形,[110]的为滑移变形,[111]的为位错变形。拉伸试验中：[111]取向结构的Al_0.3CoCrFeNi高熵合金的屈服强度最高,[100]的次之,[110]的最低;[100]取向结构Al_0.3     

FCC晶体中不均匀变形对空洞长大的影响

通过编制率相关有限元用户子程序,采用一个单胞模型研究了FCC晶体中孔洞在单晶及晶界的长大行为,分析了由于晶体取向及变形失配对孔洞长大和聚合的影响。研究结果表明：孔洞的形状和长大方向与晶体取向密切相关;晶界上孔洞的长大速度大于单晶中孔洞的长大速度;晶粒间的变形失配加速了晶界上孔洞的长大趋势,因而使材料易发生沿晶断裂,随着晶粒间取向因子差异的增加,孔洞越易沿着晶界长大。     

表面微空洞长大和相互作用的晶体有限元分析

通过建立空洞长大和相互作用的3D模型,采用晶体塑性有限元模拟研究了FCC晶体表面空洞的长大和相互作用行为,分析了晶体取向和微空洞在表面的深度变化对表面空洞长大和相互作用的影响.模拟结果表明:晶体取向除了影响空洞形状和长大方向外,还会影响空洞长大速度;总体而言,在固定位移边界条件下硬取向晶粒表面的空洞长大和相互作用大于软取向.随着空洞在单晶体表面深度的增加,空洞周围的最大塑性变形增加,变形局部化更加严重,空洞长大速度增加.     

镍基双晶体晶界断裂特性研究

对单晶体以及晶界平行晶粒裂纹和晶界垂直晶粒裂纹的双晶体的断韧性进行了实验研究,设计了三种三点弯曲试件,得到了单晶体和晶界的断裂韧性值,在晶界垂直晶粒裂纹的双晶体试验中,揭示了晶界对晶粒断裂的屏蔽效应;当裂纹距晶界某一特定长度时,断裂韧性值最大,理论分析和晶体滑移有限元数值分析揭示了这种屏蔽效应的机理,双晶晶界处的变表相容性导致了理解纹尖端应国和场的重新分布,并由此产生了晶界屏蔽效应。     

基于晶体塑性理论的孔洞生长行为研究

采用率相关晶体塑性模型,建立三维胞元计算模型,研究了晶粒取向和晶界对孔洞生长和聚合的影响.比较了不同晶粒取向的单晶和双晶体中孔洞的生长趋势,发现晶粒取向对孔洞生长方向,孔洞形状等有着显著的影响.     

含冷却孔镍基合金次级取向效应的应变梯度晶体塑性有限元研究

单晶镍基合金具有优异的耐高温、高强、高韧等性能, 这些力学性能受制造过程引入的次级取向和冷却孔的影响. 已有研究大多关注单孔薄板的变形机理和力学性能, 而工程中应用的往往是多孔薄板, 当前亟需阐明多孔的塑性滑移带变形机理、次级取向效应以及冷却孔引起的应变梯度效应. 文章采用基于位错机制的非局部晶体塑性本构模型对含冷却孔镍基单晶薄板的单拉变形进行了数值模拟. 此模型基于塑性滑移梯度与几何必需位错的关系引入了位错流动项, 因此可有效刻画非均匀变形过程中的应变梯度效应. 为了全面揭示含孔镍基薄板的次级取向效应, 系统研究了[100]和[110]取向(两种次级取向)下镍基薄板的单拉变形行为, 并重点探究了在两种次级取向下冷却孔数量对薄板塑性行为的影响. 此外, 还分析了镍基合金板变形过程中各个滑移系上分切应力变化、主导滑移系开动以及几何必需位错密度的演化过程, 并讨论了塑性滑移量及其分布特征对不同次级取向镍基合金板强度的影响. 研究表明, 单孔和多孔的[110]薄板抗拉强度均低于[100]薄板, 多孔薄板的塑性变形过程比单孔薄板更为复杂且受次级取向影响更大, 并且发生滑移梯度位置主要位于冷却孔附近以及塑性滑移带区域. 研究结果可为工程中镍基合金的设计和服役提供理论指导.      

材料三维微结构表征及其晶体塑性有限元模拟

材料的力学性能，尤其是在有限变形下所呈现的宏观各向异性，是材料结构设计和服役寿命考虑的关键因素。由于宏观模型不能较好地反映材料微观结构（晶粒的形貌和取向等）对宏观塑性各向异性的影响，因此，本文建立了能实际反映晶粒形貌的三维Voronoi模型，并基于晶体塑性理论对铝合金在有限变形下的响应进行计算。首先，建立反映材料微结构的代表性体积单元RVE模型进行计算，并与实验结果进行对比验证。然后，以单向拉伸为例，分析了有限变形过程中试件的晶粒形貌和取向分布等微观因素对宏观各向异性演化的影响，并从材料和结构两个层面讨论了微观结构对宏观力学性能的影响。结果表明，本文模型能够反映微观结构对宏观力学性能的影响，为实际生产制造领域构件的力学性能提供可靠的预测。     

双材料界面裂纹应力强度因子的边界元分析

采用双材料基本解建立边界元法基本方程,计算双材料界面裂纹尖端附近的应用力和位移场。不离散界面,并设置面力奇异四分之一点裂尖单元以提高计算精度。数值结果表明,本文的方法具有较高的精度和效率。     

双周期刚性线纵向剪切问题的应力奇异因子

研究了双周期刚性线的纵向剪切问题.利用椭圆函数的保角变换、Riemann-Schwarz对称原理和奇点分析等技术,得到了全场应力及应力奇异因子的精确解,分析了刚性线夹杂横向和纵向间距对应力奇异因子的影响.     

用双悬臂梁（DCB）试样测定JR曲线的实验方法

本文首先建立了双悬臂梁(DCB)试样的 J 积分和加载点位移Δ的半解析解,然后提出了一种利用 CDB 试样测定材料.J_R 阻力曲线的单试样方法,并对40Cr 钢材进行了实际测试.结果表明,该方法不仅简单易行、结果可靠,而且获得的材料 J_R 曲线的Δα范围较宽.     

双槽圆形截面管角裂纹应力强度因子

弯曲载荷作用下,双槽圆形截面管的角裂纹具有两个不同的奇异应力场和相应的应力强度因子,针对该异型薄壁管裂纹问题,提出了一种简单实用的应力强度因子求解方法。即利用守恒律,通过选取适当的三维积分路径,并结合初等力学的应力位移计算方法,显化了应力强度因子对J_2积分的贡献,建立了一个求解应力强度因子的方程。由于该方程不足以求解两个应力强度因子,利用材料力学平截面保持平面的变形假设,建立了应力强度因子之间的补充方程。将J_2积分与补充方程联立求解,既可得到弯曲载荷作用下双槽圆形截面管角裂纹的应力强度因子。对于其他异型薄壁管裂纹问题,该方法同样适用,计算过程简单。     

铜单晶拉伸试样表面滑移带痕迹的晶体塑性分析

采用建立在晶体塑性理论基础上的晶体塑性有限变形计算方法,针对铜单晶试样单轴拉伸过程中晶体滑移在试样表面留下的滑移带痕迹进行了数值研究.作者利用三维有限元模拟不同取向铜单晶试样的拉伸变形,通过晶体塑性滑移面与试样表面交线的几何分析,得到了试样在不同晶向拉伸下不同滑移系启动造成的试样表面滑移痕迹,并对数值计算的试样表面滑移痕迹作了初步讨论.所得结果表明晶体塑性理论能够用于单晶试样拉伸试验的表面滑移带痕迹形成的分析.     

单晶体和双晶体微观层次变形行为的有限元分析

从微观层次上研究金属材料的变形行为,将位错引入到本构关系中,用硬化函数描述材料的硬化规律,考虑了变形的率相关性,采用三维模型用大变形有限单元法对单晶体在单向拉伸载荷和循环载荷作用下的变形行为、双晶体在单向拉伸作用下滑移系的开动进行了模拟计算,得到了与实验一致的计算结果。