纯钛塑性变形行为的晶体塑性有限元模拟
模具参数对纯钛等通道转角挤压工艺变形规律影响的有限元分析
钛合金加工表面晶体塑性模拟和分析
钛合金加工表面晶体塑性模拟和分析庞记明，赵军，李安海，臧健（山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东济南250061）来稿日期：2017-11-24基金项目：国家自然科学基金（51475273）；山东省优秀中青年科学家科研奖励基金（BS2014ZZ008）作者简介：庞记明，（1990-），男，山东新泰人，硕士研究生，主要研究方向：钛合金加工表面完整性；赵军，（1967-），男，山东济南人，博士研究生，博士生导师，教授，主要研究方向：高效加工及数控刀具技术1引言在多晶体金属材料加工过程中，宏观塑性变形的产生必然伴随着微观结构的改变，其中主要为材料加工过程中形成的晶粒的择优取向（织构）和晶粒细化。
织构导致材料变形后性能的各向异性，并且在很大程度上能够影响材料的性能。
晶体塑性理论能够从微观层次上深刻揭示材料变形规律，它包括单晶塑性理论以及多晶体塑性理论。
单晶体塑性理论主要阐述了单晶体内部滑移剪切与其整体变形的关系，以及整体应变与应力的本构模型[1]。
多晶体塑性理论解决的是当单晶体塑性变形行为确定后，单晶体微观与多晶体宏观的关系，主要包括微观量向宏观量的转变以及晶界效应的合适处理。
目前，多晶体塑性理论主要包括三类模型：Sachs 多晶模型，Taylor 多晶模型，自洽模型。
Sachs 多晶模型假设多晶体中每个晶粒都具有与多晶聚合体相同的应力状态，实现了晶界应力平衡，却没有满足各晶粒间的应变相容性。
Taylor 型多晶模型考虑到应变状态的协调性，假设多晶体内各晶粒呈刚塑性，各晶粒应变张量和多晶体的宏观应变强度一致。
自洽模型即能解释晶粒和其外界环境的相互作用，满足应变相容性，也能够解决多晶变形中的内部应力问题。
目前，结合晶体塑性理论，利用晶体塑性模拟已经成功实现对织构及织构演化的模拟预测。
文献[2]利用率相关晶体塑性本构模型，将晶粒初始取向直接输入晶体塑性有限元模型，对纯铝单向拉伸过程中的织构演化进行了成功预测，实现了晶体塑性学有限元模拟过程。
金属塑性成形的三维刚塑性有限元模拟技术研究
第20卷 第4期太原重型机械学院学报Vol.20 №4 1999年12月J OURNAL OF TAIYUAN HEAV Y MACHIN ER Y INSTITU TE Dec.1999文章编号:1000-159X(1999)04-0283-05金属塑性成形的三维刚塑性有限元模拟技术研究刘建生, 王立元, 原向阳(太原重型机械学院机械工程系,太原030024) 摘 要: 本文对三维刚塑性有限元模拟理论及有关技术问题进行了系统的研究,针对模拟过程中的模具型腔曲面几何描述,动态接触边界处理等关键技术提出了有效的算法,开发了相应的三维模拟软件。
并以球冲头压缩方坯和曲轴成形为例进行了模拟,计算结果表明所提出的算法和软件系统是可行的。
关键词: 金属塑性成形; 三维刚塑性有限元; 数值模拟中图分类号: TG302 文献标识码:A金属塑性成形中,具有三维变形特征的工艺较多,尤其是锻造、挤压和轧制等体积成形工艺更是如此。
而且随着塑性成形技术的发展,制件的形状也越来越复杂。
因此,实现金属塑性成形过程的三维数值模拟受到人们的极大关注。
三维刚塑性有限元模拟理论的研究可以追溯到八十年代初J.J.Park和S.K obayashi所做的工作[1]。
由于当时计算机技术及有限元模拟中的一些共性技术的制约,还很难实现塑性成形工艺的三维模拟。
1983年,孙捷先和S.K obayashi首先提出简化三维刚塑性有限元法,并模拟分析了楔形体的平砧压缩[2],随后孙捷先等人又采用该方法模拟分析了大型钢锭芯部缺陷的压实效果[3]。
简化三维有限元法可用以分析某些轧制和平砧锻造问题,实践表明模拟结果和精度尚可满足要求。
然而,由于其对未知数个数做了简化,因此严格来讲并不是真三维模拟。
近年来,随着塑性有限元理论和计算机技术的飞速发展,三维有限元技术在金属塑性成形过程模拟中的应用取得了很大进步[4,5]。
但是,实现这一进程还面临着不少问题,尤其是三维模拟中的一些关键技术的解决,如三维模具型腔几何信息描述,有效统一的动态接触边界处理技术和网络重分等等。
TC17钛合金加热过程中的有限元模型
TC17钛合金加热过程中的有限元模型何俊;惠瑞拓;曾卫东;徐建伟;陈威【摘要】采用深埋热电偶动态测量温度变化并结合有限元模拟建立了TC17钛合金棒材的加热模型,并对其升温过程进行了模拟.结果表明:总换热系数由辐射换热系数和对流换热系数组成,可通过数学运算获得,其数值与棒材温度有关,随着棒材温度的升高,总换热系数呈增大趋势.通过对φ500 mm×500 mm TC17钛合金棒材的升温过程进行有限元模拟,获得棒材心部和1/2R处的温升曲线,经过与热电偶测得的实际温升曲线对比,两者有较高的吻合度,棒材心部和1/2R处到温时间分别为196 min和166 min.采用小尺寸试样进行β单相区加热试验,通过与大尺寸棒材β晶粒尺寸的比较,验证了有限元模型的准确性.【期刊名称】《钛工业进展》【年(卷),期】2019(036)002【总页数】4页(P8-11)【关键词】TC17钛合金;加热;有限元模拟;晶粒尺寸【作者】何俊;惠瑞拓;曾卫东;徐建伟;陈威【作者单位】中国航发动力股份有限公司,陕西西安710021;中国航发动力股份有限公司,陕西西安710021;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安710072;西北工业大学凝固技术国家重点实验室,陕西西安710072【正文语种】中文【中图分类】TG146.230 引言与传统的α+β两相区锻造相比，钛合金β锻造具有变形抗力小、金属流动性好、热加工性好、锻造成本低等优点，目前已成为航空锻件的重要加工方式[1]。
β锻造需要在高温β单相区加热，由于β晶粒在高温下容易快速长大粗化，若加热时间过长会导致β晶粒过大，造成所谓的“β脆性”问题，严重降低合金的力学性能。
因此，锻前加热是保证钛合金β锻造顺利实施的重要环节，需要根据坯料的不同尺寸，设置合理的加热时间，既要保证坯料能充分热透，又要使β晶粒不会过分长大。
钛及钛合金板材冲压成形及有限元模拟
钛及钛合金板材冲压成形及有限元模拟王艺;毛小南;戚运莲;刘伟;孙花梅【摘要】综述了钛及钛合金薄板的塑性及冲压成形性,在此基础上研究了钛板冲压成形的影响因素,着重分析了压边力、模具尺寸对钛板冲压成形的影响.然后介绍了有限元模拟的基本原理及壳单元、本构方程的选择,并利用DYNAFORM软件模拟了TA2纯钛半球形工件的成形过程,并对压边力进行优化,得出最适压边力范围为27~37 kN.%In this paper , the plasticity and formability of titanium and titanium alloy sheets were reviewed , and the influence factors of sheet stamping were studied .The effects of blank holder force and die size on stamping process were analyzed.Finally, the basic principles of finite element simulation and selection of constitutive equation and shell element were introduced .Using DYNAFORM software to simulate the forming process of TA 2 titanium hemispherical workpiece , and to optimize the blank holder force , it is found that the optimum blank holder force range is 27~37 kN.【期刊名称】《钛工业进展》【年(卷),期】2017(034)005【总页数】5页(P1-5)【关键词】钛及钛合金;冲压成形;压边力;有限元模拟【作者】王艺;毛小南;戚运莲;刘伟;孙花梅【作者单位】东北大学,辽宁沈阳 110819;西北有色金属研究院,陕西西安 710016;西北有色金属研究院,陕西西安 710016;西北有色金属研究院,陕西西安 710016;西北有色金属研究院,陕西西安 710016【正文语种】中文【中图分类】TG386钛及钛合金的冲压成形是利用大型冲压设备与相应的模具，对钛材施加一定的压力，使其发生塑性变形，获得一定形状的压力加工方法。
增材制造钛合金的裂纹扩展行为的晶体塑性有限元分析
增材制造钛合金的裂纹扩展行为的晶体塑性有限元分析任斯远; 王凯; 刘斌超; 鲍蕊【期刊名称】《《航空科学技术》》【年(卷),期】2019(030)009【总页数】6页(P81-86)【关键词】激光熔化沉积; 晶体塑性; 疲劳; 扩展有限元; 裂纹扩展【作者】任斯远; 王凯; 刘斌超; 鲍蕊【作者单位】北京航空航天大学航空科学与工程学院北京 100191【正文语种】中文【中图分类】V252.2钛合金发展自20世纪50年代，得益于其优良的性能如高比强度和良好的耐腐蚀性，是制造飞机主承力结构的重要材料。
然而，与铝合金和高强度钢相比，难加工性以及由此带来的高制造成本一直是制约钛合金在飞机结构中更广泛应用的主要因素。
钛合金大型构件增材制造技术是钛合金整体飞机结构件革命性的突破，为结构轻量化和低成本化带来进一步可能[1]。
激光熔化沉积（LMD）技术是解决大型钛合金结构制造的增材制造技术，其具有加工快捷、原料利用率高等优点，并且在加工复杂结构时具有显著优势[2]。
通过该种技术加工的航空整体结构件已在部分次承力结构上实现应用[3,4]。
由于激光增材制造的技术特性，受高温度梯度和高冷却速度的影响，LMD钛合金可能会在组织上呈现异于传统锻造钛合金的非均匀排布特征[5]，当然，也可以根据结构受力需要，通过工艺控制，实现结构材料性能的优化，调整材料组织排布。
但在这种背景下，基于传统均匀材料的断裂力学理论的裂纹扩展分析能否仍适用于该类型结构的损伤容限的评定，应用传统理论的损伤容限分析精度是否满足要求或是否有进一步提高分析精度的可能，这些问题有待进一步研究。
对LMD钛合金疲劳裂纹扩展的研究多集中于该材料与锻件、铸件的性能对比[6]、工艺参数对LMD钛合金材料性能的影响[7]，也有部分文献对LMD 钛合金微观组织对疲劳裂纹扩展的影响进行了试验观测和定性分析[8]。
本课题组对LMD-TC11、TC18、TC21等钛合金在横幅载荷、简单变幅载荷下的疲劳裂纹扩展行为进行了试验研究[9～15]，试验表明，柱状晶、近等轴晶的静力性能，特别是塑性段的静力性能存在显著差别，二者中的组织排布也显著不同，从而导致裂纹沿不同方向扩展时扩展路径、扩展速率、裂纹闭合水平等的变化，热影响带对疲劳裂纹扩展速率也存在影响，试件厚度同样也对裂纹扩展行为有影响。
多尺度建模仿真方法在钛合金塑性成形中的应用
第34卷第3期湖南有色金属^ 2018 年 6 月HUNANNONFERROUS METALS 4 7多尺度建模仿真方法在钛合金塑性成形中的应用祝文沙(山西机电职业技术学院，山西长治046000)摘要:金属塑性成形是钛合金先进成形的一种重要方法，塑性成形是一个复杂的物理过程，多尺度计算机模拟是研究钛合金塑性成形的一种先进手段。
文章综述了近5 a目前国内外常使用的模拟金属微观组织与力学性能的建模方法，尤其是钛合金的塑性成形建模方法,对各方法的优缺点提出了观点,并对多尺度建模的发展趋势提出了看法。
关键词：钬合金；塑性成形；多尺度仿真中图分类号：TG113.25 文献标识码：A文章编号：1003 -5540(2018)03 -0047 -04金属塑性成形是材料成形领域的一种重要且常 用的方法。
在塑性变形过程中，宏观层面上应力、应 变及温度会发生变化。
微观层面上，钛合金的会发 生原子扩散、位错运动、微观组织演变。
因此由微观 组织决定的性能（如强度、硬度、塑性、断裂韧性、疲 劳、蠕变等）也将发生较大的改变。
因此，如何通过 控制成形工艺以实现对成形和性能的协调控制一直 是当今材料成形领域的研究重点。
钛合金在常温下 的变形能力较差，容易发生开裂，因此等温锻造是制 造钛合金锻件的一个主要方法。
钛合金在高温塑性 成形过程中，组织会发生很大的变化，对应变、温度 均很敏感，由于变形工艺参数的不同，钛合金的微观 组织形态、含量、分布均有变化，如等轴初生a相、条 状次生a相、晶界a相、残余yS相的体积分数等均在 发生变化。
目前，生产应用中控制组织的方法大部 分是通过大量的工艺试验，通过微观组织分析和力 学性能测试，结合理论分析得到的半经验方法。
随 着计算方法和计算机技术的高速发展，材料加工的 数值模拟软件可以很好地模拟钛合金在加工过程中 的应力应变及温度分布。
但是对于人们关心的微观 结构及力学性能的仿真方法，还没有成熟的商业软 件。
多晶体材料塑性变形过程中织构演变的有限元模拟 (1)
（ａ）轧制前（ａ）ｂｅｆｏｒｅｒｏｌｌｉｎｇ（ｂ）轧制后（ｂ）ａｆｔｅｒｒｏｉｌｉｎｇ图１材料轧制前后的织构Ｆｉｇ．１ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｔｅｘｔｕｒｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｌＦｔｅｒｒｏｌｌｉｎｇ最终的形状精度和尺寸精度。
例如工业上常常需要生产筒形产品，诸如口杯、脸盆、水壶、弹壳、头盔、浴缸，易拉罐等，生产方式一般是将轧制并熟处理后的金属板材进行冲压变形，制成筒形产品。
材料在冲压变形时在筒壁圆周方向主要承受压应力，沿简壁的轴向主要受拉应力。
由于板材内通常有织构存在，使得板材的变形抗力呈各向异性。
在同样应力状态板材其些部分变形较多，而另～部分则变形较少，最终造成制耳现象（如图２所示）［４．”。
为了描述材料的各向异性，圈２板材冲压成形后形成的制耳Ｆｉｇ．２ＥａｒｉｎｇｉｎｓｂｅｅｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓＨｉｌｌ等在宏观力学的框架内提出了各种描述材料各向异性的屈服准则。
这些准则中通常包含实验难以确定的参数，特别是经过塑性变形后的后续屈服轨迹是与塑性变形路径相关的，因而很难用这些宏观的各向异性屈服准则对材料的塑性变形过程进行准确描述ｆ６］。
基于上述讨论在金属成形和材料设计过程中，耍精确控制２（ａ）具有均匀织构分布的ＯＦＨＣ纯铜（ａ）ＯＦＨＣｃｏｐｐｅｒｗｉｔｈｒａｎｄｏｍｔｅｘｔｌｌｒｅ（”具有轧制织构的ＯＦＨＣ纯铜ｐ５ｌＣｂ）ＯＬＷＩＣｃｏｐｐｅｒｗｉｔｈｒｏｌｌｅｄｔｅｘｔｕｒｅＨ５】图３．１ＯＦＨＣ纯铜的初始织构分布Ｆｉｇ．３．１ＩｎｉｔｉａｌｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃｔｅｘｔｕｒｅｏｆＯＦＨＣｃｏｐｐｅｒ３．２１单向压缩和单向拉伸过程ＯＦＨＣ纯铜单向压缩和单向拉伸过程模拟和试验中试样的初始高度和直径比为１．５，３为试样的压缩／拉伸轴。
有限元模拟中采用８节点六面体单元，共４００个节点，２１６个单元，共２１６ｘ８ｘ２００个晶粒；有限元模拟的视始网格如图３２所示。
有限元计算在曙光ＴＣ４０００Ｌ集群上完成．共使用了集群的８个节点。
车削加工钛合金过程的有限元模拟金属加工等专业毕业设计毕业论文
车削加工钛合金过程的有限元模拟摘要改革开放以来，由于生产技术的不断提高，各种材料得到了充分利用，特别是钛合金的开发利用，正越来越多的应用在生产生活的各个方面。
但由于其特殊的材料性能使其加工效率比较低下，加工成本较大。
因此研究钛合金的切削性能，提高加工效率具有重要的意义。
本文对钛合金的切削性能进行了研究。
金属切削过程是一个十分复杂的过程，切削工艺主要是通过刀具在材料表面切除多余的材料层来获得理想的工件形状、尺寸以及表面光洁度的机械加工方法。
切削过程的建模和仿真在改进切削刀具的设计和优化切削参数方面有很大的发展潜力。
有限元法逐渐成为切削过程的研究和仿真的一种有效手段。
本文的目的之一就是建立一个切削过程仿真的有限元模型，预报切削力和切削温度。
在预先收集工件流动应力数据和在高应变率和高温下的摩擦系数的基础上，利用有限元软件DEFORM-3D仿真切削过程。
分析了切削过程中切削温度的变化规律。
关键词：车削，钛合金，有限元，DEFROM-3DFinite Element Simulation of Turning Titanium AlloyProcessABSTRACTSince the reform and opening, due to production technology unceasing enhancement, All kinds of materials especially the most use of exploitation and utilization of titanium alloy, got fully used, and is increasingly being used in the production of all aspects of life．However，because of its unique material properties，we can not get better processing efficiency and lower processing costs. Therefore，it’s of great significance to study machinability of titanium alloys for improve the processing efficiency．In this paper, the cutting performance of the titanium have been researching. Metal-cutting process is a very complex process. Turning operations are performed to modify shape, dimension, and surface roughness of a workpiece cutting away from it several layers of material. Modeling and simulation of cutting processes have the potential for improving tool designs and selecting optimum conditions．Finite element method is becoming one of method to research and simulate the curing processes．The one objective of this study was to develop a FEM model for simulating the cutting process in turning and predict curing forces and temperatures using finite element analysis．On the basis of pre-data collection of the workpiece flow stress and high strain rate and high temperature friction coefficient, Simulation of cutting process is set up by using of finite element software DEFORM-3D. Analyze the cutting temperature changes of the cutting process.KEY WORDS: Turning , Titanium Alloy, Finite element, DEFROM-3D目录前言 (1)第1章钛合金的性能及应用 (4)1.1 钛合金的化学性能 (4)1.2 钛合金的切削特点 (6)1.3 钛合金的应用现状 (7)第2章车削钛合金实验结果分析 (9)2.1 实验相关材料 (9)2.1.1 工件材料 (9)2.1.2 刀具材料 (9)2.2 实验方案 (9)2.3 实验结果及分析 (10)2.3.1实验结果 (11)2.3.2 结果分析 (12)第3章钛合金车削有限元仿真 (15)3.1 有限元分析方法过程 (15)3.2有限元软件DEFORM-3D介绍 (15)3.3 DEFORM-3D中应用加工向导模块进行车削仿真的基本步骤 (17)3.4 DEFORM-3D中切削加工过程有限元模型建立的主要注意点 (18)3.4.1 网格划分的设置 (18)3.4.2 切屑的分离标准设定 (19)3.4.3 材料模型的建立 (20)3.4.4 速度边界条件的确定 (20)3.4.5 时间步长的确定 (20)第4章仿真分析 (22)4.1 概述 (22)4.2 不同切削条件下的切削力仿真 (22)4.3 不同切削条件下的切削温度仿真 (25)4.4切削力的仿真结果与实验结果的对比 (27)第5章车床主轴箱及夹具设计 (29)5.1 车床主轴箱的设计 (29)5.1.1确定极限转速 (29)5.1.2确定公比 (29)5.1.3求出主轴转速级数 (29)5.1.4确定结构网和结构式 (29)5.1.5绘制转速图 (31)5.1.6确定公比齿轮齿数的确定 (33)5.1.7传动系统图的拟定 (34)5.2 夹具设计 (35)5.2.1 零件分析 (35)5.2.2 定位基准的选择 (36)5.2.3切削力和夹紧力的计算 (36)5.2.4定位误差分析 (37)结论 (38)谢辞 (39)参考文献 (40)外文资料翻译 (42)前言一、钛合金切削研究现状钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。
有限元模拟在金属塑性成形中的应用
中， 绝大多数属于无法进行二维简化的三维问题。 所以， 金属成形的三维有限元模拟技术的研究一直 是该领域的个热点问题。当前的有限元模拟研究 主要有以下的技术难点， 也是未来的主要研究方向。 （ ）网格生成是几何定义与有限元分析的桥 E 梁， 复杂的三维问题的网格的生成以及重划分仍旧 是亟待完善的难题。三维网格具有空间几何实体描 述和三维网格的自动生成算法的复杂性， 使得三维 网格 （尤其是六面体网格） 的生成和重划分成为制约
的全过程， 它以 F , 7 / 1 . G> 6 5 ) 5 本 构 方 程 为 基 础。 在分析金属成形问题时， 不仅能按照变形的路径得 到塑性区的发展状况、 工件中的应力、 应变分布规律 和几何形状的变化， 而且还能有效地处理卸载问题， 计算残余应力。因此， 弹塑性有限元法被用于弹性
收稿日期： — — ! " " " " ! " # 作者简介： 翟福宝， 男， 博士研究生 ! $岁，
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ［ ;］ （?@） ： 7069/)& :’23416/)3* - ;- <30):9- </45&/ - $=>"， $$ #@$ A #@# （!） 发展高效率的线形方程组求解算法对金属 成形的有限元分析具有重大意义。 （"） 有限元分析的求解精度评估及三维实体的 几何信息的精确描述问题。 三维动态接触算法及摩擦算法的处理有待 （#） 进一步研究。 参考文献
［ ］ ’ （ ） 弹塑性有限元法 ’ 弹塑性有限元法考虑包括弹性变形的金属变形
变形无法忽略的成形过程模拟。但弹塑性有限元法 要以增量方式加载， 尤其在大变形弹塑性问题中， 由 于要采用 H 7 , 7 )或 = + 1 ) ,描述法之一来描述有限 C C 元列式， 所以需要花费较长的计算时间， 效率较低。
纯钛塑性变形行为的晶体塑性有限元模拟
硕士学位论文纯钛塑性变形行为的晶体塑性有限元模拟THE FINITE ELEMENT SIMULATION ON PLASTIC BEHAVIOR OF PURETITANIUM黄晓华2010年7月国内图书分类号：TG113.12 学校代码：10213国际图书分类号: 669.017.3 密级：公开工学硕士学位论文纯钛塑性变形行为的晶体塑性有限元模拟硕 士 研 究 生： 黄晓华导 师： 来忠红 副教授申 请 学 位： 工学硕士学 科、专 业： 材 料 学所 在 单 位： 材料科学与工程学院答 辩 日 期： 2010年7月授予学位单位： 哈尔滨工业大学Classified Index: TG113.12U.D.C: 669.017.3Dissertation for the Master Degree in Engineering THE FINITE ELEMENT SIMULATION ON PLASTIC BEHAVIOR OF PURETITANIUMCandidate：Huang XiaohuaSupervisor：Associate Prof. Lai Zhonghong Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Materials ScienceAffiliation：School of Materials Science and EngineeringDate of Defence:July, 2010Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要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。
钛合金晶界变形损伤有限元仿真研究
钛合金晶界变形损伤有限元仿真研究吉喆;陈宇豪;郭涛【摘要】为研究晶界的变形损伤过程,通过偏移钛合金真实组织中初生α相(αp)和转变β基体(βt)的界面,实现晶界的几何建模,建立包含晶界内聚力单元的真实组织有限元模型,模型预测与实验获得的TA15钛合金应力-应变曲线吻合良好.研究结果表明,晶界高应力单元的数量随变形量的增加而增加,晶界单元平均损伤特征值在宏观应变小于2％时迅速增加,在应变大于2％时增速趋于平缓.与理想αp相和βt基体界面结合相比,当宏观应变较小时,晶界内聚力单元应力不影响αp相和βt基体中应力分布;随宏观应变的增加,晶界高应力单元的损伤退化会导致αp相和βt基体中应力降低.【期刊名称】《钛工业进展》【年(卷),期】2019(036)003【总页数】6页(P1-6)【关键词】钛合金;晶界;变形损伤;有限元仿真【作者】吉喆;陈宇豪;郭涛【作者单位】中国矿业大学,江苏徐州 221116;中国矿业大学,江苏徐州 221116;中国矿业大学,江苏徐州 221116【正文语种】中文【中图分类】TG146.230 引言钛合金具有高比刚度、高比强度、高热强性、耐腐蚀等优异的性能，被广泛用于加工制造航空航天用轻量化、高性能构件[1-2]。
钛合金的性能取决于其微观组织, 而晶界是钛合金微观组织的重要组成部分。
钛合金在变形过程中，晶界会出现变形和损伤，晶界的变形损伤与钛合金中的微观结构(比如初生α相(αp)和转变β基体(βt)的形态、分布和性能)密切相关。
然而，由于αp相和βt基体的形态和分布极为复杂[3]，而且αp相、βt基体和它们之间的界面性能各不相同[4]，这些微观结构的不均匀会导致变形过程中界面应力分布极不均匀，从而引起界面复杂的变形和损伤过程。
晶界的变形和损伤对钛合金的强度、韧性和断裂性能均有显著影响，因此研究变形过程中晶界的变形损伤，对于深入了解钛合金组织与性能的关系具有重要意义。
目前，很多学者对界面变形损伤引起的钛合金断裂进行了研究。
钛铝合金等体系中界面处变形行为的原子模拟
钛铝合金等体系中界面处变形行为的原子模拟金属材料在外加载荷条件下的塑性变形行为是材料学研究的重要内容之一。
在保持化学成份不变的情况下引入界面后,可以提高材料多种性能,当晶体结构降低至纳米尺度时,其强度通常会大幅提升。
无论晶界还是相界的存在都会影响材料的力学性能,所以有必要进一步探索和研究金属材料界面处的塑性变形行为。
随着计算材料学的快速发展,兼具简便高效的分子动力学模拟可以为材料的优化设计提供原子尺度上的细节,能够再现某些实验研究中难以观测的动态演变过程,有助于很好的理解以上这些变形行为。
本文首先针对具有γ-TiAl和α2-Ti3Al两相片层结构的钛铝合金,其高温性能优异,但片层结构具有较强的各向异性,特别是γ/α2界面,从而导致钛铝合金的界面结构和疲劳断裂等力学行为强烈依赖于片层取向、厚度和厚度比等参数。
采用分子动力学方法,通过考察共格和半共格界面,发现体系总能量随两相厚度比变化,得到两种界面相互转变的临界片层厚度;对不同片层厚度的钛铝合金进行垂直界面的拉伸加载,共格界面的屈服强度高于半共格界面,断裂行为随γ和α2相的厚度比变化。
塑性变形首先发生在γ相一侧,形成Shockiey偏位错,进而通过剪切传递方式穿过Y/α2界面,激活α2相的锥面层错;γ/α2界面为后续的位错和孪生提供形核点。
相关结果为钛铝合金的结构稳定性评价和性能改善提供了理论基础。
其次针对密排六方金属(Ti、Mg)中90°晶界在应力驱动下的迁移运动,分别进行了不同加载条件下的原子模拟,同时考察了不同温度的影响,进行了对比研究。
研究结果发现,在单轴加载的驱动下,晶界的迁移运动都是通过位错滑移和形变孪晶的共同作用来完成的,涉及到两组界面位错的相对滑移和攀移,是一种通过晶格局部取向转变形成孪晶的方式。
其中在剪切的条件下,晶界基本没有发生相应的迁移运动;但在压缩加载时,对于金属Ti和Mg,在晶界迁移的持续过程中却发生了不同的塑性变形行为。
TC4钛合金切削过程的有限元模拟
ห้องสมุดไป่ตู้
式中第一项描述了材料的应变强化效应，第二 项反映了流动应力随对数应变速率增加的关系，第 三项反映了流动应力随温度升高指数降低的关系。 Tm、 Tr 分别表示参考应变速率和参考温度， Tm 为材 料熔点。式中 A、B、n、C、m、D、k 是 7 个待定 参数；A、B、n 表征材料应变强化项系数；C 表征 材料应变速率强化项系数； m 表征材料热软化系数； t , m 分别为常温材料熔点。
图 2-1
2.创建工件模型，在弹出的如图 2-2所示的对 话框中，设定模型的名称为 Base，在建模空间选项 中选择 2DPlanar，类型选择 Deformable，基本特征 选择 Shell， 近似尺寸选择 0.01。 点击 Continue 进入 绘制草图步骤。
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1.1 TC4 钛合金切削模型建立的假设 在实际加工钛合金的过程中，会有很多影响加 工过程的因素，这些因素多而且复杂，所以建立有 限元分析的过程非常复杂， 所以为了简化建模过程， 必须对其进行简化，本文中的有限元模型是建立在 以下基础之上的： (1) 刀具是刚体，足够坚硬和锋利，在切削过 程中不发生变形； (2) 被加工的材料是各向同性的，且加工过程 中不出现金相组织变化以及化学成分变化等； (3) 刀具宽度远大于切削宽度，切削过程按照 平面切削进行模拟； (4) 加工过程中不发生刀具及工件的振动。 1.2 TC4 的 Johnson-Cook 本构模型 材料的本构模型一般用于对材料的力学性质的 描述，表示材料在变形过程中的动态部分的响应。 当材料的微观组织结构确定时，变形速度、变形剧 烈程度及变形温度等将会非常明显地影响变形应 力， 所以材料本构模型用流动应力与应变、 应变率、 温度等变形参数之间的数学函数关系来进行表示。 建立材料的本构模型， 是进行材料塑性研究的基础， 同时对材料的加工工艺的制定具有较大的指导意 义。在现代塑性力学研究中，有限元分析是其基础 方法，因此材料流动应力的精准程度是影响分析准 确性的关键。在研究钛合金高速切削的过程中，我 们必须建立准确的材料的本构模型，这是我们进行 切削加工模拟的基础环节，因为只有明确了应力应 变随温度变化的关系，才能够抓住材料在切削加工 过程中塑性变形关系，由此才能在建立边界条件， 施加载荷之后，得到准确的仿真结果。 在对钛合金进行高速切削的过程中，工件会在 高温高压下发生大幅度的弹塑性变形，同时，因为 弹塑性变化过程非常迅速，因此应变、应力以及温 度变化的梯度很大，找到一个合适的能表示这个过 程的本构方程非常关键。现在常用的塑性材料本构 模 型 主 要 有 ： Bodner-Paton 、 Johnson-Cook 、 Follansbee-Kocks、Zerrilli-Armstrong 等模型，而只 有 Johnson-Cook 模型描述材料高应变速率下热粘 塑性变形行为[1]。 Johnson—Cook 模型认为材料在高
TA15钛合金高温变形多晶体塑性有限元模拟
ｈαβ
＝
ｑαβ ｈβ ， ｈβ
＝
ｈ０β （１
－
τβ ａ（β） ） β τｓ
（５ ）
式中 ｈαβ ——— 硬化模量 ， 表示 β 滑移系的作用对 α
滑移系所造成的应变硬化率 ， 范围包
括所有的活性滑移系
ｑαβ ——— 描述潜硬化行为的矩阵 ｈβ ——— 单滑移系硬化率 ｈ０β ， ａ ， τβｓ ——— 滑移硬化的材料参数 其中 ， ｈ０β 为初始自硬化率 ， ａ 决定自硬化曲线 的形状 ， τβｓ 为饱和剪切应力 。 ｑαβ 对真应力应变曲线 的影响较大 ， 对于本文钛合金 ， 滑移系之间的潜硬
Ｆｉｇ畅 ３ Ｍ ｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｅｆｏｒｅ ａｎｄ ａｆｔｅｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
图 ２ Ｔ Ａ１５ 钛合金在模拟和实验条件下的 真应力‐应变曲线对比
Ｆｉｇ畅 ２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ
ｓｔｒｅｓｓ‐ｓｔｒａｉｎ ｃｕｒｖｅｓ
潜硬化速率 ，ｑαβ 硬化参数 ，ｈ０β ／Ｍ Ｐａ
饱和值 τβｓ ／Ｍ Ｐａ 硬化率指数 ，ａ
数值 １２９ ０畅 ３３ ０畅 １２ ０畅 ０１ ８ １ ４５５ １１８ ２
图 ３ 变形前后的模拟组织形貌
ａ） 初始组织形貌 ； ｂ） 在应变速率为 ０畅 ０１ｓ － １ ， 变形量为 ４０ ％ ， 变形温度 １ ０５０ ℃ 压缩后组织形貌
８７
变形行为 。
为方便描述 ， 本文基于经典塑性的理论 ， 考虑
晶体在变形时的滑移带 ， 将晶体变形过程乘法分解
为初始构形 、 中间构形和当前构形即将整个变形分
解为两阶段 ， 即材料由初始构形以变形梯度 Ｆｐ 运
微型管拉伸过程的晶体塑性有限元模拟及材料参数拟合
微型管拉伸过程的晶体塑性有限元模拟及材料参数拟合孙昂;谢政龙;陈斌;唐伟;罗云;杨晨【摘要】采用晶体塑性有限元模拟微型管件的拉伸试验,通过匹配模拟得到的拉伸曲线和实验得到的拉伸曲线来确定微型管件材料的晶体本构方程的各项参数,为后续的微形管件液压成型工艺的数值模拟提供材料参数,具有重要的工程意义.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2016(045)002【总页数】3页(P123-125)【关键词】微型管;晶体塑性有限元;ABAQUS;拉伸试验;材料参数【作者】孙昂;谢政龙;陈斌;唐伟;罗云;杨晨【作者单位】南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094;江西南昌中航工业洪都660所,江西南昌330001;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TB115.1微成形技术是微细加工技术领域的研究热点之一，微成形技术包括体积微成形、板料微成形、管件微成形等塑性成形技术。
微型管件液压成形技术是一种能规模化制造微型管件的新型微成形技术，这种工艺是在毛细金属管内充入高压液体，使毛细管膨胀发生塑性变形，从而成形出截面形状复杂的微型管件，制造出来的微型管件在电子、医疗、微器械等行业具有良好的应用前景。
微型管件的直径一般在亚毫米级，管件壁厚只有几十微米，晶粒尺寸和壁厚在同一个数量级上。
微型管件变形时变形区的大小与几个晶粒大小相当，晶粒的大小、取向等微观组织结构对微型管件材料性能、塑性变形规律、成形工艺的影响十分突出，使得建立在宏观力学基础上的有限元无法适用于微型管件液压成形工艺的模拟和分析。
随着晶体塑性理论的发展，晶体塑性有限元已成为一个强大的模拟工具，被广泛用于模拟微观结构和各种力学响应，越来越被材料学界和力学界的研究者所重视。
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硕士学位论文纯钛塑性变形行为的晶体塑性有限元模拟THE FINITE ELEMENT SIMULATION ON PLASTIC BEHAVIOR OF PURETITANIUM黄晓华2010年7月国内图书分类号：TG113.12 学校代码：10213国际图书分类号: 669.017.3 密级：公开工学硕士学位论文纯钛塑性变形行为的晶体塑性有限元模拟硕 士 研 究 生： 黄晓华导 师： 来忠红 副教授申 请 学 位： 工学硕士学 科、专 业： 材 料 学所 在 单 位： 材料科学与工程学院答 辩 日 期： 2010年7月授予学位单位： 哈尔滨工业大学Classified Index: TG113.12U.D.C: 669.017.3Dissertation for the Master Degree in Engineering THE FINITE ELEMENT SIMULATION ON PLASTIC BEHAVIOR OF PURETITANIUMCandidate：Huang XiaohuaSupervisor：Associate Prof. Lai Zhonghong Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Materials ScienceAffiliation：School of Materials Science and EngineeringDate of Defence:July, 2010Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要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σ=64.9MPa，K=473.3MPa xμm1/2。
系，预测TA2纯钛的Hall-Petch常数为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。
关键词：TA2纯钛；塑性变形；有限元模拟；晶粒取向；晶粒尺寸；织构I- -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractBased on Crystal Plasty Finite Element Method (CP-FEM) and Voronoi diagram, the poly-crystal plasticity finite element model of single crystalline and polycrystalline materials of TA2 pure titanium is set up. And the deformation behavior of crystal from the microscopic view was researched by this finite element model.The tensile deformation behavior of single crystalline was studied firstly and the results show that the rotation of orientation occurred at the same time with the tensile deformation of single crystalline and the slip direction of slip-systems could gradually parallelled with the tensile direction.Influence of orientation factors during uniaxial tension of single crystal metal is studied using the model of single crystalline. The results show that different orientation factors have contributed to the yield strength and tensile stress during plastic deformation. With the orientation factor reduced, the yield sress of single crystalline becomes lower, which accords with Schmid’s law.Compare the results of the model of single crystalline with the results of the actual material tensile tests, the change of metallographic structure and the tensile curve from simulation analysis results are well in agreement with that of experment. The relationship between the deformation course、the morphology of microstructures and the stress was analyzed, the evolution of stress and strain of polycrystalline deformation were catalyzed, the stress and strain distributions in elastic stage、plastic stage、hardening stage and the necking stage were described. The inhomogeneity of micro mechanism of plastic deformation of polycrystalline was described in detail. According to the inhomogeneity micro mechanism, the formation mechanism of tangerine peel is investigated.The influences of the different grain size to the behavior of the plastic deformation of polycrystalline were analyzed. The yield stress increased with the decreasing of the size of crystal grains, the hardening curve began to climb quite steeply and the maximum tensile stress increased. The increasing rule accord with Hall-Petch’s law, the predictive factors of TA2 titanium by simulation are σ=64.9MPa，K=473.3MPa xμm1/2.II- -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文The influences of the initial texture to the anisotropy of the polycrystalline deformation were researched using the method of setting the texture model of same orientation grains. The results show that with the increasing of the strength of texture, the inhomogeneity of the deformation of polycrystalline increased, the yield stress also increases, the hardening curve began to climb quite steeply and the maximum tensile stress increased.Keywords: TA2 pure titanium, plastic deoformation, plasticity finiteelement, crystal orientation, size of crystal grains, textureIII- -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1 纯钛概述 (1)1.1.1 纯钛的基本性质及用途 (1)1.1.2 纯钛塑性变形特征 (3)1.2 晶体塑性有限元方法 (4)1.2.1 有限元基本思想 (4)1.2.2 晶体塑性有限元方法研究的层次性 (5)1.2.3 晶体塑性有限元方法应用研究进展 (7)1.3 本文主要研究目的及主要研究内容 (11)第2章研究材料及模型建立 (12)2.1 引言 (12)2.2 TA2纯钛材料基本信息 (12)2.2.1 TA2纯钛单晶体材料信息 (12)2.2.2 TA2纯钛多晶体材料信息 (13)2.3 晶体塑性理论方程与数值解法 (16)2.3.1 金属滑移几何和运动学 (16)2.3.2 率相关单晶体塑性本构理论 (18)2.3.3 多晶体塑性本构理论 (21)2.3.4 晶体塑性模型的数值实现与求解 (22)2.4 ABAQUS建模及子程序调用 (26)2.4.1 单晶体塑性变形模型 (27)2.4.2 多晶体塑性变形模型 (30)2.4.3 边界条件及接口调用 (33)2.5 本章小结 (36)第3章 TA2单晶体塑性变形过程的模拟研究 (37)3.1 引言 (37)3.2 滑移系开动的分切应力剪切应变分析 (38)IV- -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3.3 晶体取向的旋转与演化 (41)3.4 晶体初始取向与力学行为的响应关系 (44)3.5 本章小结 (46)第4章 TA2纯钛多晶体拉伸变形过程的模拟研究 (47)4.1 引言 (47)4.2 TA2纯钛拉伸过程的实验与模拟 (47)4.3 组织演化的对比分析 (48)4.4 宏观应力/应变表征及对比分析 (50)4.5 晶粒尺寸对力学性能的影响 (54)4.6 初始织构对力学性能的影响 (60)4.7 本章小结 (64)结论 (65)参考文献 (66)哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 (70)哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 (70)致谢 (71)V- -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1纯钛概述1.1.1纯钛的基本性质及用途钛(Ti)元素原子序数为22，相对原子量为47.90，位于周期表IVB族，在自然界金属元素含量中排行第七，密度为 4.51g/cm3，属于轻金属，其分布广泛但处于分散状态。