FCC晶体中孔洞的聚合行为研究

通过编写率相关用户子程序UMAT,实现了有限元计算中晶体塑性本构关系描述。采用含两个球形孔洞单晶模型,模拟分析了FCC晶体中不同晶体取向下孔洞的聚合行为。计算结果表明孔洞的聚合与晶体取向密切相关,在变形过程中,随着晶体取向不同,孔洞形状、长大方向和孔洞间韧带宽度也不同,就Cube、Goss、Copper和Brass四种初始取向而言,Cube取向中的孔洞的聚合效应最强烈最易聚合。单晶体中两孔洞间韧带区变形充分且孔洞沿韧带方向显著生长会加快孔洞的聚合速度。     

考虑孪晶内二次滑移的镁单晶细观本构模型

基于晶体塑性理论,建立了一个考虑滑移、形变孪晶以及孪晶内二次滑移的镁单晶弹-黏塑性细观本构模型,并在有限元软件ABAQUS的用户子程序UMAT中数值实现.利用该模型对镁单晶的室温平面压缩试验进行了模拟,研究了不同加载取向下镁单晶变形机制的演化规律.结果表明:镁单晶的变形机制与取向密切相关,其力学行为表现出强烈的各向异性特征;拉伸孪晶在特定取向下能够提供沿晶粒c方向伸长的变形,并引起晶粒的重取向;在某些变形状态下,当拉伸孪晶达到饱和体积分数后,孪晶内会出现二次滑移.     

基于晶体塑性理论的面心立方单晶变形研究

借助晶体塑性理论,通过ABAQUS/UMAT用户子程序的二次开发,实现了基于位错运动的塑性本构描述。通过晶体塑性有限元模拟,研究了单向拉伸过程中,晶体旋转及晶粒取向对变形结果的影响,获得了晶体旋转角度与应变的对应关系,晶粒初始取向对滑移启动及变形程度的影响规律;模拟结果与Schmid定律一致,验证开发的晶体塑性模型的正确性。     

耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料本构建模与仿真

针对耐热不锈钢X8CrNi25-21的材料特性,基于弹塑性力学理论和位错动力学对经典的Johnson-Cook（JC）本构模型进行修正,引入位错塞积理论,并在本构中考虑晶粒尺寸和晶体取向等微观参数,建立了基于尺度效应的耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料响应行为本构模型.通过采用介观尺度非标准件,并利用热处理工艺改变材料的晶粒尺寸,开展准静态拉伸实验、动态霍普金森压杆实验进行介观尺度材料测试,建立了晶体尺寸与介观尺度材料塑性变形与断裂行为特征的变化规律,并最终确定了耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料本构模型各参数值.      

基于整体结构的纳米晶体材料力学模型

为了系统地分析晶粒尺寸、应变速率和缺陷对纳米晶体材料的影响,提出了1个新的本构模型,运用能量法描述纳米晶体的变形机理、微结构演变和力学行为.在模型中,晶粒和晶界作为一个整体共同承担位错和晶界滑移.通过对纳米晶体Ni在不同应变速率和晶粒尺寸条件下的实验,验证改进模型的可行性.与实验数据对比发现,预测的模型可以用来描述纳米晶体材料的力学性能.     

流动应力下降尺度效应的数值模拟

采用率相关晶体塑性本构关系及弹塑性大变形增量有限元方法,通过在晶粒尺寸相同条件下模拟不同尺寸微型铜圆柱体镦粗实验,对流动应力下降尺度效应现象进行了数值模拟研究,获得了与实验及表面层模型较为一致的结果.结果表明,随着坯料尺寸的减小,流动应力逐渐下降;晶体塑性理论能够解释并描述流动应力下降尺度效应现象,并在一定程度上对流动应力下降幅度做出预测.     

形状记忆聚合物的宏观力学本构模型

建立有效描述形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer,SMP）的热力学行为、且便于工程应用的宏观力学本构模型具有理论和工程意义.在前期研究的基础上,应用固体力学和热黏弹性理论建立了描述复杂应力状态下SMP在实现形状记忆效应热力学过程中,即在高温变形过程、应力冻结过程、低温卸载过程和形状恢复过程中热力学行为的宏观力学三维本构方程.利用DMA实验结果,建立了描述SMP在玻璃体转化过程中,材料参数和温度间关系的材料参数方程.应用所建立的力学本构方程和材料参数方程,数值模拟了SMP的高温变形过程、应力冻结过程、低温卸载过程和形状恢复过程,并分析了加载率和温度变化率对SMP热力学行为的影响.数值模拟结果和与现存SMP力学本构方程和材料参数方程的对比表明,本文建立的由力学本构方程和材料参数方程构成的SMP宏观力学三维本构模型,能有效地描述SMP的热力学行为,可为SMP的工程应用提供理论基础.     

晶体材料力学性能的热力学微观机理及本构方程的研究II.塑性部分

提出晶体材料塑性行为的热力学微观机理 ,并对金属单晶材料的塑性行为及本构关系进行了研究 ,得到的一些重要定量关系不仅能解释和统一现有理论 ,而且与各种实际现象相符合。     

面心纯铝轧制织构的晶体塑性有限元模拟

基于率相关晶体塑性本构模型,分别将Taylor模型和有限单元模型两种多晶模型嵌入大型有限元程序ABAQUS,实现了晶体塑性学有限元模拟. 直接将电子背散射衍射(EBSD)获取的晶粒初始取向输入晶体塑性有限元模型,预测了两种不同应变情况下面心1 050纯铝轧制织构的演化. 模拟结果与EBSD实验测得的织构演化结果有较好的一致性,随着变形程度的增加,预测织构与实测织构变得更加锋锐. 经过比较,Taylor型模型预测出了{4 4 11}〈11 11 8〉的Dillamore取向,而有限单元模型预测出了铜型织构取向,比Taylor模型预测结果更接近实验验证结果. 两种模型并不能预测出{011}〈211〉黄铜取向、{123}〈523〉S取向、{011}〈100〉Goss取向及其他理想取向.     

晶体材料力学性能的热力学微观机理及本构方程的研究Ⅱ.塑性部分

提出晶体材料塑性行为的热力学微观机量,并对金属单晶材料的塑性行为及本构关系进行了研究,得到的一些重要定量关系不仅能解释和统一现有理论,而且与各种实际现象相符合。     

纳米晶体材料不同晶粒尺寸与取向分布下力学性能的有限元分析

基于考虑晶粒尺寸和取向的弹性黏塑性本构模型,针对3组不同尺寸和取向分布的数字化微观结构模型,采用有限元模拟的方法分析晶粒尺寸和取向分布对纳米晶体材料拉伸力学性能的影响。结果表明:晶粒的尺寸和取向对纳米晶体材料的力学性能有着很明显的影响,且晶粒尺寸分布对力学性能的影响比取向分布的影响要显著。同时,尺寸均匀分布的晶粒中产生的剪切带相对于非均匀分布的晶粒中产生的要均匀,可以减小材料软化的局部性,较好地提高了材料的拉伸强度和韧性。     

晶体材料力学性能的热力学微观机理及本构方程的研究Ⅰ.弹性部分

提出晶体材料力学性能的热力学微观机理,推导并得到有关晶体材料力学性能的一些重要关系式。对金属单晶材料的弹性性能及本构关系进行了研究,得到的结果和数据与实际现象和试验结果相一致。     

晶体材料力学性能的热力学微观机理及本构方程的研究I.弹性部分

提出晶体材料力学性能的热力学微观机理 ,推导并得到有关晶体材料力学性能的一些重要关系式。对金属单晶材料的弹性性能及本构关系进行了研究 ,得到的结果和数据与实际现象和试验结果相一致。     

晶体材料力学性能的热力学微观机理及本构方程的研究：Ⅰ.弹？…

提出晶体材料力学性能的热力学微观机理,推导并得到有关晶体材料力学性能的一些重要关系式。对金属单晶材料的弱性性能及本构关系进行了研究,得到的结果和数据与实际现象和试验结果相一致。     

纳米晶体材料的本构模型研究进展

纳米晶体材料具有优异的力学性能，近年来，不少国内外研究者对纳米晶体材料的力学行为和本构模型进行了深入的研究。有针对性地回顾了国内外纳米晶体材料本构模型的研究工作，对国际上最新成果进行了评述，指出了尚未解决的一些关键技术问题。结合相关领域的最新研究成果，提出了今后应着重研究的4个关键点分别为：纳米晶体相与应变速率和晶粒尺寸相关的变形机理和本构方程、晶界相与应变速率和晶粒尺寸相关的变形机理和本构方程、含孔隙多相复合夹杂体的协调变形力学理论研究、实验制备和表征，并就这4个关键点提出了一些思路与建议。     

材料凝固时晶粒生长-粗化的二维元胞自动机模型

建立了模拟凝固进行时晶粒成核、生长与粗化过程以及凝固完成后晶粒粗化过程的二维元胞自动机模型,模型中将原子在固/液界面、晶界面的迁移过程以概率的方式表现在元胞网格演化的规则中.模拟结果表明,所建立的模型可以合理地描述晶粒在凝固过程中的生长-粗化过程.应用本模型分析了冷却率、结晶取向数、温度等因素对于晶粒微观结构演化的影响.研究结果表明:大冷却率有助于得到细小的晶粒;当结晶取向数大时晶粒较小;保温温度低会抑制晶粒粗化.     

晶体取向对镍基单晶DD6合金蠕变性能的影响

针对航空发动机镍基单晶涡轮叶片高温服役下蠕变寿命的取向敏感性难题,开展了DD6单晶合金[001]、[011]与[111]3种典型取向在980oC下的蠕变试验,获得了服役温度下单晶合金的蠕变寿命、伸长率,均为[111]取向>[001]取向>[011]取向;通过对蠕变过程中微观组织演化以及蠕变断裂后断口形貌进行分析,揭示了不同取向下单晶合金的蠕变失效机理;基于晶体塑性理论,建立了DD6单晶考虑取向敏感性的粘塑性本构及损伤方程,能够较好地拟合不同晶体取向单晶的蠕变过程,为单晶叶片的强度分析与寿命预测提供参考。     

两轴向磁场时磁控形状记忆合金的本构模型

采用热力学方法推导了磁控形状记忆合金在两轴向磁场作用下的力学本构模型,考虑了马氏体变体再取向的驱动力和阻力的平衡状态,建立了马氏体变体再取向的动力学方程。该模型用于分析NiMnGa单晶试样在双向磁场作用下的非线性力学行为和滞后效应,结果表明模型的预测数据和实验结果吻合性较好,从而说明模型是可行的。     

混凝土细观扩展有限元法建模及宏观力学性能估算

混凝土内部的界面过渡区是材料的薄弱环节,一定程度上控制着混凝土材料的宏观力学性能,在界面应力和界面相对位移的框架下描述界面过渡区的本构行为,首先在界面应力空间下构建一个能够综合反映界面过渡区纯拉、拉剪和压剪加载下的初始开裂滑移面,然后通过两个独立的断裂能释放率参数:I型断裂能释放率和渐进II型断裂能释放率,来控制开裂滑移面的后继软化过程,建立了界面过渡区的摩擦剪胀型本构模型.并把该本构模型嵌入到扩展有限元的模式下,建立了能够反映界面过渡区复杂力学行为的扩展有限元模型.将建立的扩展有限元模型应用到混凝土细观数值模拟中去,探究了界面过渡区的初始界面刚度、峰值强度和断裂能释放率对混凝土宏观力学性能的影响规律.     

基于位错密度的体心立方晶体塑性本构模型

晶体塑性理论是将晶体微观尺度的位错运动与宏观尺度的塑性形变相结合的重要理论,提供了在细观尺度内研究材料力学行为的有效方法。位错的密度变化对金属晶体的硬化行为有着重要的影响。该文在晶体塑性理论的基础上引入位错运动理论,建立基于位错密度的体心立方晶体(body center cubic,BCC)塑性本构模型,研究BCC的力学行为;并借助ABAQUS有限元软件,编写UMAT子程序,实现对BCC结构的铁单晶及多晶单轴拉伸试验的数值模拟。结果表明:该本构模型能有效地模拟铁单晶及多晶单轴拉伸的力学行为。