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EVPSC-TDT模型文章推荐

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文章名称《A crystal plasticity model for hexagonal close packed (HCP) crystals including twinning and de-twinning mechanisms》
DOI:10.1016/j.ijplas.2013.02.016
    在镁合金、钛合金和锆合金等六方密排结构材料中,塑性变形远比传统立方晶体复杂。除了基面滑移、柱面滑移和锥面滑移外,变形孪生往往承担着不可替代的协调作用。尤其是在循环加载、反向加载和复杂应变路径下,已经形成的孪晶还可能逐渐收缩甚至消失,这一过程被称为去孪生。
    2013年,Wang、Wu、Wang和Tomé在 International Journal of Plasticity 上发表论文 A crystal plasticity model for hexagonal close packed crystals including twinning and de-twinning mechanisms,提出了一套具有明确物理图像的孪生—去孪生模型,即TDT模型,并将其嵌入弹黏塑性自洽框架EVPSC中。文章以AZ31B镁合金板材和AZ31挤压棒材为对象,重点研究循环加载和预压缩后反向拉伸过程中的力学响应。

    许多早期晶体塑性模型主要面向单调加载。当某一孪生系被激活后,通常通过晶粒整体重取向,或者采用经验规则更新孪晶体积分数。这类方法能够近似描述织构演化,却很难处理卸载和反向加载。

    问题的关键在于:孪生并不是不可逆的“晶粒翻转”。在载荷反向后,孪晶界可以向相反方向迁移,孪晶区域逐渐缩小,母晶区域重新扩展。如果模型只保存孪生后的取向,而没有分别保留母晶和孪晶内部的应力状态,就无法准确描述去孪生,也难以解释镁合金循环滞回曲线中明显的拉压不对称、屈服平台和反向软化现象。

TDT模型将整个孪生—去孪生过程划分为四类基本机制:

第一类是孪晶形核,即在原始母晶内部引入一个具有较小初始体积分数的孪晶区域;第二类是孪晶长大;第三类是反向加载时的孪晶收缩;第四类是孪晶内部发生的再孪生。

文章进一步把孪晶长大分为两个部分:由母晶平均应力驱动的母晶缩减,以及由孪晶平均应力驱动的孪晶扩展。与之对应,去孪生也被拆分为母晶扩展和孪晶缩减。

这一划分非常重要。它意味着孪生界面的运动不再只由母晶应力或孪晶应力单独控制,而是同时考虑界面两侧不同的应力状态。母晶和孪晶被视为两个具有独立取向、应力和体积分数的弹黏塑性夹杂,共同与多晶体有效介质相互作用。

在EVPSC模型中,每个晶粒都被看作嵌入等效多晶介质中的弹黏塑性夹杂。晶粒总应变率由弹性部分和塑性部分共同组成,因此模型能够保存加载、卸载及反向加载过程中的晶粒应力历史。这正是去孪生计算所需要的基础。论文结果表明,AZ31B板材在压缩过程中发生拉伸孪生,而在反向拉伸初期,去孪生可以在远低于初始孪生应力的宏观应力下启动。这并不一定意味着去孪生具有更低的临界分切应力,而主要源于预加载后母晶和孪晶内部保留的非均匀残余应力。换句话说,EVPSC框架可以从细观应力重新分配的角度,自然解释反向加载中的低屈服现象。模型还揭示了不同阶段的主导变形机制:压缩阶段主要由拉伸孪生承担塑性变形;反向拉伸初期以去孪生为主;当已有孪晶基本消失后,柱面滑移等机制开始承担更多变形;再次反向加载时,孪生重新启动。与此同时,晶体织构也随孪晶体积分数发生可逆或部分可逆的演化。

这些结果说明,宏观循环曲线中的平台、拐点和拉压不对称,并不是简单的经验硬化现象,而是滑移、孪生、去孪生和晶粒残余应力共同作用的结果。

基于文章的框架,我们可以在evpsc代码的基础上二次开发考虑循环过程中的twin-detwin。使用文章提供的参数

与文章进行了相同的循环模拟加载,初始使用典型的基底织构:

模拟循环变形结果如下

可以看到和文章有良好的对应,(但由于初始未根据文章生成织构文件,而是使用MTEX完成了216个晶粒生成的,存在部分偏差)

来源:我的博士日记
二次开发VPS材料控制
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2026-07-20
最近编辑:2月前
此生君子意逍遥
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使用晶体塑性快速完成屈服面的标定

文章名称《Simulation of yield surfaces for aluminium sheets with rolling and recrystallization textures》DOI:10.1016/j.commatsci.2012.08.015 传统上,我们提到屈服面,往往会想到 Hill48、Barlat、Yld2000 这一类宏观屈服准则。这些模型在工程模拟中非常常用,但它们的参数通常需要依赖实验数据进行标定。 这篇文章提供了一个很有启发性的思路:不直接从宏观公式出发,而是从晶体塑性有限元模拟出发,通过多晶 RVE 的虚拟加载来获得材料在不同应力状态下的屈服响应。简单来说,作者做的事情可以概括为:1,先建立具有特定织构的多晶 RVE,2,然后对 RVE 施加不同方向的加载路径,3,再在统一的塑性功标准下提取宏观平均应力点,4,最后由这些点构建出材料的屈服面。这类方法的意义在于,它把微观晶体塑性机制和宏观本构模型连接了起来。对于具有明显织构和各向异性的金属材料来说,材料的屈服行为并不是一个简单的单轴问题。不同加载方向、不同双轴应力状态以及剪切分量都会影响材料进入塑性流动的方式。晶体塑性模型能够把晶粒取向、滑移系激活、晶粒间约束等微观因素自然地考虑进去,因此得到的屈服面也更具有物理基础。文章中的结果非常直观。通过不同加载路径提取出来的屈服点,可以清楚看到材料在不同应力状态下的屈服差异。这不仅有助于理解织构对屈服行为的影响,也可以进一步服务于宏观屈服准则的参数标定,例如 Hill48、Yld2000 或 Yld2004 等模型。我认为这篇文章最值得关注的地方,不只是“画出了一个屈服面”,而是它展示了一条很清晰的多尺度建模路线:晶体塑性模型→ 多晶 RVE 虚拟加载→ 宏观屈服面→ 各向异性屈服准则参数识别这对于做材料本构、晶体塑性、板材成形以及多尺度模拟的研究者来说,都有很好的参考价值。受这篇文章启发,最近也尝试搭建了一个类似的二维屈服面计算流程。基于自定义晶体塑性 UMAT、多晶 RVE 和周期性边界条件,对不同加载方向进行批量计算,并在统一塑性耗散功标准下提取平均应力点,最终得到了 (S_{11}-S_{22}) 平面内的二维屈服轨迹。从目前的结果看,屈服点已经形成了较为连续、闭合的二维轨迹,说明该流程可以较好地捕捉材料在不同双轴应力状态下的屈服响应。后续如果继续扩展到剪切截面和后继屈服面,还可以进一步用于宏观屈服准则和硬化模型参数的识别。例如,利用初始屈服面拟合 Hill48 或 Yld2000 参数,利用预加载后的后继屈服面分析各向同性硬化、运动硬化以及屈服面畸变等行为。总体来说,这篇文章给人的启发是:晶体塑性模拟不仅可以用来解释微观变形机制,也可以进一步转化为宏观本构模型的参数来源。它在微观机制和工程尺度模型之间搭建了一条很有价值的桥梁。对于关注晶体塑性、多晶 RVE、各向异性屈服准则和多尺度建模的朋友,这篇文章值得一读。来源:我的博士日记

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