中國西北工業大學&美國北卡羅來州大學MSEA：基于晶體塑性有限元法的FCC金屬絕熱剪切局部數值模擬

cc 5年前 (2018-09-24) 3394瀏覽

【前言】

剪切帶是塑性應變面心立方(FCC)金屬中最常見和公認的微結構特征之一。在重軋制金屬板和普通應變壓縮材料中，它以集中塑性流動帶狀區域的形式出現。在這種情況下，剪切帶作為一種替代變形模式來適應塑性應變，這是導致應力集中局部化的原因。剪切帶現象在近年來受到了研究人員極大關注，這不僅是因為它們代表了許多金屬在塑性應變時微觀結構的特征，還因為它們對帶內微觀結構和再結晶織構的演變產生了重大影響。在具有不同堆垛層錯能(SFE)的FCC金屬中，剪切帶可分別為“銅型”和“黃銅型”剪切帶。

研究人員目前已經對FCC金屬中的剪切局部進行了一些實驗和數值研究。然而，許多細節仍不清楚，需要進一步闡述。絕熱剪切帶(ASBs)與上述離散剪切帶有很大不同，因為前者塑性變形過程中的熱效應不可忽略。由于熱軟化導致的材料強度損失超過了由于應變硬化或應變速率硬化導致的強度增加。最終，ASBs會發展成為熱塑性不穩定的結果。

事實上，在FCC金屬中，ASBs很少在動態單軸壓縮下被發現。研究人員通過設計具有特殊幾何形狀的樣品(帽形或截頭圓錐體樣本)來進行觀測，當樣本處于機械載荷下時，某些局部區域會引入集中的大剪切應變。但是這種特殊的幾何形狀并沒有抓住ASB材料的“內在”表現。研究人員在ASBs內部對這些特殊設計的樣品進行微觀觀察，以研究局部變形過程中的微觀結構演變。近年來，研究人員在BCC金屬中發現晶粒尺寸的減小能夠有效地促進在ASBs的形成。然而，對于FCC金屬，直到最近，即使當材料的粒度細化到納米級(小于100 nm )研究人員仍舊沒有在高速壓縮下觀察到ASBs。因此，在FCC金屬中，形成ASBs的實驗證據的缺乏阻礙了對這些金屬中ASBs的深入研究。直到最近，在298 K和77 K的動態單軸壓縮后，在具有FCC晶體結構的納米結構(NS) Cu-Al合金中研究人員發現了共軛的ASBs。高應變速率下的各向異性行為和紋理測量表明，嚴重塑性變形(SPD)期間形成的預先存在的紋理應該是試樣在高速壓縮下加載時剪切定位的原因。晶粒細化導致的強度增強可以提供足夠的變形能量，但是塑性加工產生的熱量會導致最終熱塑性的不穩定。

【成果簡介】

近日，來自中國西北工業大學的索濤教授和美國北卡羅來州大學的Qiuming Wei教授（共同通訊）聯合在Materials Science and Engineering: A上發表文章，題為：“Numerical simulations of adiabatic shear localization in textured FCC metal based on crystal plasticity finite element method”。在這項工作中，作者提出了具有不同初始紋理的多晶模型中動態單軸壓縮和簡單剪切的晶體塑性有限元模擬( CPFEM )。目的是研究在高應變率載荷下，FCC金屬在嚴重塑性變形或再結晶后經常觀察到的典型織構對ASBs形成的影響。材料的響應由彈粘塑性連續滑移本構關系描述，其中也考慮了滑移系統的電阻對溫度演化的依賴。模擬結果表明，在高速壓縮下，不同的紋理導致剪切帶的不同取向和剪切定位發生時的不同臨界應變。研究人員發現高速簡單剪切載荷有助于ASB的形成。即使在無紋理，即隨機紋理中，也觀察到模型明顯的剪切局部化。然而，滑移系統激活對紋理的依賴導致ASB引發的臨界剪切應變水平變化巨大。此外，作者還討論了一些因素，如應變率、溫升和材料強度對FCC織構化金屬中ASBs形成的影響來更深入地解釋形成過程。作者還將實驗觀察和數值模擬相結合，闡述了催化裂化材料中很少報道ASBs形成的原因。

【圖文導讀】

圖1. FCC 格子的示意圖與一些 {111} 滑動面實體圖