纯钛塑性变形行为的晶体塑性有限元模拟

纯钛塑性变形行为的晶体塑性有限元模拟本文采用晶体塑性有限元(Crystal Plasty Finite Element Method,CP-FEM)为基础,结合Voronoi图表技术建立了包含纯钛材料基本参数的单晶体和多晶体塑性变形有限元模型,从细观角度研究了晶体的变形行为。首先利用晶体塑性有限元方法,建立了纯钛单晶塑性变形模型,对钛单晶体的拉伸变形行为进行了研究,模拟结果表明在边界约束条件下,单晶体拉伸变形的同时发生了取向的旋转,其滑移系的滑移方向会逐步趋向于与拉伸方向平行。

利用建立的单晶体模型研究了晶体初始取向与晶体滑移的宏观力学响关系,结果表明,软位向方向拉伸的拉伸应力小于硬位向方向拉升应力,模拟变形过程符合Schmid定律。通过Voronoi图表信息建立了TA2多晶体模型,并模拟了拉伸变形,对照真实材料拉伸实验,分析了晶体变形过程的外形、组织形貌及应力应变关系,模拟与实验结果接近。

分段表征了TA2多晶体模型变形的应力应变演化过程,描述了多晶体塑性变形弹性阶段、屈服阶段、硬化阶段与颈缩阶段应力应变分布,详细分析了晶粒变形的不均匀性的微观机制,说明了桔皮组织的形成过程。分析了不同晶粒尺寸对多晶体塑性变形行为的影响,研究结果表明,随着晶粒度减小,晶体屈服强度增大,硬化曲线变陡,结果符合Hall-Petch关系,预测TA2纯钛的Hall-Petch常数为σ0=64.9MPa,K=473.3MPaμm1/2。

利用设定同取向晶粒建立织构模型的方法研究了初始织构对多晶体变形各向异性及应力应变关系的影响,结果表明随着织构强度的升高,多晶体变形不均匀性增大,多晶体屈服强度升高,硬化曲线变陡。