中国西北工业大学&美国北卡罗来州大学MSEA：基于晶体塑性有限元法的FCC金属绝热剪切局部数值模拟

cc 6年前 (2018-09-24) 5093浏览

【前言】

剪切带是塑性应变面心立方(FCC)金属中最常见和公认的微结构特征之一。在重轧制金属板和普通应变压缩材料中，它以集中塑性流动带状区域的形式出现。在这种情况下，剪切带作为一种替代变形模式来适应塑性应变，这是导致应力集中局部化的原因。剪切带现象在近年来受到了研究人员极大关注，这不仅是因为它们代表了许多金属在塑性应变时微观结构的特征，还因为它们对带内微观结构和再结晶织构的演变产生了重大影响。在具有不同堆垛层错能(SFE)的FCC金属中，剪切带可分别为“铜型”和“黄铜型”剪切带。

研究人员目前已经对FCC金属中的剪切局部进行了一些实验和数值研究。然而，许多细节仍不清楚，需要进一步阐述。绝热剪切带(ASBs)与上述离散剪切带有很大不同，因为前者塑性变形过程中的热效应不可忽略。由于热软化导致的材料强度损失超过了由于应变硬化或应变速率硬化导致的强度增加。最终，ASBs会发展成为热塑性不稳定的结果。

事实上，在FCC金属中，ASBs很少在动态单轴压缩下被发现。研究人员通过设计具有特殊几何形状的样品(帽形或截头圆锥体样本)来进行观测，当样本处于机械载荷下时，某些局部区域会引入集中的大剪切应变。但是这种特殊的几何形状并没有抓住ASB材料的“内在”表现。研究人员在ASBs内部对这些特殊设计的样品进行微观观察，以研究局部变形过程中的微观结构演变。近年来，研究人员在BCC金属中发现晶粒尺寸的减小能够有效地促进在ASBs的形成。然而，对于FCC金属，直到最近，即使当材料的粒度细化到纳米级(小于100 nm )研究人员仍旧没有在高速压缩下观察到ASBs。因此，在FCC金属中，形成ASBs的实验证据的缺乏阻碍了对这些金属中ASBs的深入研究。直到最近，在298 K和77 K的动态单轴压缩后，在具有FCC晶体结构的纳米结构(NS) Cu-Al合金中研究人员发现了共轭的ASBs。高应变速率下的各向异性行为和纹理测量表明，严重塑性变形(SPD)期间形成的预先存在的纹理应该是试样在高速压缩下加载时剪切定位的原因。晶粒细化导致的强度增强可以提供足够的变形能量，但是塑性加工产生的热量会导致最终热塑性的不稳定。

【成果简介】

近日，来自中国西北工业大学的索涛教授和美国北卡罗来州大学的Qiuming Wei教授（共同通讯）联合在Materials Science and Engineering: A上发表文章，题为：“Numerical simulations of adiabatic shear localization in textured FCC metal based on crystal plasticity finite element method”。在这项工作中，作者提出了具有不同初始纹理的多晶模型中动态单轴压缩和简单剪切的晶体塑性有限元模拟( CPFEM )。目的是研究在高应变率载荷下，FCC金属在严重塑性变形或再结晶后经常观察到的典型织构对ASBs形成的影响。材料的响应由弹粘塑性连续滑移本构关系描述，其中也考虑了滑移系统的电阻对温度演化的依赖。模拟结果表明，在高速压缩下，不同的纹理导致剪切带的不同取向和剪切定位发生时的不同临界应变。研究人员发现高速简单剪切载荷有助于ASB的形成。即使在无纹理，即随机纹理中，也观察到模型明显的剪切局部化。然而，滑移系统激活对纹理的依赖导致ASB引发的临界剪切应变水平变化巨大。此外，作者还讨论了一些因素，如应变率、温升和材料强度对FCC织构化金属中ASBs形成的影响来更深入地解释形成过程。作者还将实验观察和数值模拟相结合，阐述了催化裂化材料中很少报道ASBs形成的原因。

【图文导读】

图1. FCC 格子的示意图与一些 {111} 滑动面实体图