基于位错密度的高熵合金晶体塑性损伤模型

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高熵合金(HEAs)概念的提出被认为是传统合金设计理念的突破,其从改变混合熵或构型熵的角度出发为新型材料设计提供了新的思路和方向。同时,HEAs以其独特的设计理念极大地扩展了金属材料的发展空间并开发出了多种具有优异性能的合金类型。从材料学观点出发,HEAs所表现的高强度、高塑性、良好的耐磨性以及优异的抗腐蚀性等特点与其独特的微观结构有着密切的关系,研究微观结构演化对材料设计开发和性能优化具有重要的指导意义。从力学观点出发,亟需建立一种能够联系金属材料微观结构演化和宏观力学性能的多尺度本构模型,以克服传统计算模型在模拟金属塑性变形时缺乏微观机制描述的局限性。本文从晶体塑性理论入手,建立了基于位错密度的多尺度晶体塑性有限元模型(CPFEM)并通过CPFEM预测了HEAs在不同应用条件下的力学性能、损伤行为以及微观结构的演化。主要工作内容如下:(1)在传统晶体塑性理论框架基础上,通过修改流动准则和硬化模型分别引入了连续介质损伤和位错密度内部状态变量并对损伤以及位错密度模型的演化特点进行了分析。同时,介绍了晶体塑性的基础理论以及在有限元中的求解方法并且详细推导了改进后的模型在用户材料子程序(UMAT)中的数值求解过程。(2)结合实验和CPFEM对Ni Co Cr Fe准静态拉伸性能、颈缩行为以及微观织构演化进行了详细的研究。研究结果表明:考虑位错密度和损伤的CPFEM可以准确地描述Ni Co Cr Fe准静态下的力学行为并能够合理地捕获颈缩区域的形状和尺寸,其中颈缩区域长度和宽度与模拟预测结果分别存在7%和23%的差异但均在合理范围之内。实验和CPFEM均显示Ni Co Cr Fe拉伸变形后表现为强<111>//RD和弱<100>//RD的纤维织构并形成了以Cube、R-Cube(RD)、S、Cu、Brass、A以及Goss织构为主的分布特征。在微观多晶模型拉伸过程中,损伤易形成于位错塞积和应力集中的晶界处,表现为晶间损伤机制。同时,损伤的形成会改变其附近区域的应力分布并为进一步的演化提供条件,即损伤点的软化效应会将其承担的应力向附近区域转移,使周围晶粒处于高应力状态,从而促进损伤的生长和扩展。(3)在晶体塑性模型中引入率敏感位错动态湮灭系数k2和绝热温升方程,实现了金属材料在冲击载荷下的热-力耦合计算并结合分离式霍普金森压杆和电子背散射衍射等实验技术详细研究了Co Cr Ni Si0.3动态剪切的力学行为以及微观织构演化规律。研究结果表明:实验和CPFEM均显示损伤最先在帽型剪切试样的角点处形成并随着变形的增加,损伤从角点处沿剪切方向快速扩展,逐渐形成细长的绝热剪切带(ASB)。考虑应变率效应、绝热温升和损伤的CPFEM可以准确描述Co Cr Ni Si0.3的动态剪切力学响应、动态剪切变形形状和ASB的形成、演化过程并合理预测帽型试样剪切区域应变率以及温度的变化。此外,在Co Cr Ni Si0.3剪切变形过程中,剪切区域形成了<101>//SD和<001>,<111>//SPN的纤维织构。取向分布函数(ODF)图显示织构分布由分散逐渐向α-fiber靠近并且有沿着α-fiber向R-Goss织构方向流动的趋势。
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