面心立方金属的基于位错密度的循环本构模型

来源:用户上传      作者:位错密度； 晶体塑性；本构模型；棘轮行为

　　 摘   要：在晶体塑性理论框架下，建立适用于面心立方金属多晶材料的基于位错密度的循环本构模型. 在各向同性硬化律中总位错密度被离散为螺位错和刃位错两部分，考虑了位错增殖、湮灭和相互作用的演化机制，同时采用了修正的非线性随动硬化律，建立单晶的循环本构模型，通过显式尺度过渡准则，把该模型拓展到多晶尺度. 应用该模型模拟了典型面心立方结构材料多晶铜的棘轮行为. 数值模拟结果表明，该模型不仅可以从多晶尺度模拟材料的棘轮行为和循环硬化特征，还可以从单晶尺度预测不同晶向和不同应力水平下的棘轮行为.
　　 关键词：位错密度; 晶体塑性;本构模型;棘轮行为
　　 中图分类号：O345                              文献标志码：A
　　 Abstract：Under the framework of crystal plasticity theory， a cyclic constitutive model based on dislocation density for face-centered cubic metals is proposed. The total dislocations are discretized into edge and screw components， and the multiplication， annihilation and interaction of dislocations are considered as the basic evolutionary mechanisms. At the same time，  a cyclic constitutive model of single crystal is established by using the modified non-linear kinematic hardening rule. Then， the model is extended from single crystal scale to polycrystalline scale by explicit scale transition rule. The ratchetting strain of polycrystalline copper with typical face-centered cubic structure is simulated by using the proposed model. The numerical results show that the model can not only simulate the ratchetting strain and cyclic hardening characteristics of materials at polycrystalline scale， but also predict the ratchetting of materials at different orientations and stress levels from single crystal scale.
　　 Key words：dislocation density;crystal plasticity;constitutive model;ratchetting strain
　　 棘輪变形是材料或者结构在平均应力非零的应力循环下发生的塑性变形的累积. 近年来，描述棘轮行为的循环本构模型得到了众多学者的广泛研究[1-5]，但是这些本构模型大多是基于实验结果建立的宏观唯象的循环本构模型. 然而Feaugas等[6]研究发现棘轮行为与非均匀位错亚结构有关，如位错墙和位错胞等. Kang和Dong等[7-8]应用透射电子显微镜对面心立方金属材料316L不锈钢棘轮变形过程中不同阶段的位错结构进行了研究，同样发现极化的位错结构是材料棘轮变形的微观机制，上述宏观唯象的本构模型未考虑材料棘轮变形的微观机制.
　　 近年来，基于材料循环变形的位错滑移机制建立的晶体塑性模型得到了发展. Xu等[9]首先建立了单晶铜的晶体塑性循环本构模型，然而该模型仅模拟了铜单晶在应变控制循环载荷作用下的响应，不涉及单晶铜的棘轮效应;Cailletaud等[10]通过引入尺度过渡准则，把单晶尺度的循环本构模型拓展到了多晶尺度，进而模拟多晶金属材料的棘轮行为. 但因其基于Armstrong 等[11]提出的非线性随动硬化模型来描述每个晶粒的棘轮运动，现已证实，该模型对材料的棘轮应变的预测值偏大;Kang等[12]和罗娟等[13]利用类似于Ohno-Abdel-Karim模型的组合随动硬化律，构造新的循环本构模型来描述多晶材料的循环变形，对棘轮变形的预测取得了较好的效果. 然而上述本构模型并未明确涉及到材料棘轮变形过程中位错结构的演化规律，为了揭示材料棘轮变形的位错演化机制，提高模型的预测能力，有必要建立包含更多位错机制的循环本构模型.
　　 因此本文在各向同性硬化中，将位错分为刃位错和螺位错两部分，以刃位错和螺位错的增殖和湮灭作为基本的演化机制，同时考虑了位错之间的交互作用，引入经典修正的Armstrong-Frederick非线性随动硬化律，建立了适用于面心立方结构金属材料的基于位错密度的循环多晶粘塑性本构模型. 应用提出的模型对典型面心立方结构多晶铜，在应变控制下的循环硬化行为和非对称应力控制循环下的棘轮行为进行模拟，将模拟结果和现有的实验数据[13-14]进行对比，验证了所提模型的合理性.
　　1   基于位错密度的循环本构模型 　　1.1   晶体塑性理论基础
　　 在晶体塑性小变形理论框架下，总应变张量ε可以分解为弹性应变张量εe和粘塑性应变张量εvp两个部分.
　　1.2   滑移阻力的演化律
　　 研究表明，在循环变形过程中，随着位错密度的增大，位错之间的交互作用越来越强，位错的滑移变得越来越难，导致晶体材料的硬化. 本文基于广义泰勒定律，总滑移阻力Sα
　　1.3   位错密度的演化
　　1.4   随动硬化律
　　 经典的Armstrong-Frederick随动硬化模型由于动态恢复项过强的缘故，在非对称应力循环下对棘轮应变的预测值偏大[11]，因此本文在该模型的基础上，对动态回复系数进行修正，修正后的演化律如下：
　　 1.5   尺度过渡准则
　　 式（1）～式（13）构成了单晶基于位错密度的循环本构模型，该模型可以描述面心立方单晶的循环变形行为，为了获得多晶材料的循环变形行为，需要引入一个有效的尺度过渡准则. 本文采用由Cailletaud等[17]提出的显式尺度过渡准则，命名为β准则. 使用该过渡准则，单晶体中的局部应力张量σ可由施加在多晶的均匀宏观应力张量∑通过下式计算获得.
　　2   模拟结果
　　 参考已完成的面心立方结构材料多晶铜的宏观实验结果，应用上述建立的基于位错密度的循环本构模型对多晶铜的单拉曲线、应变循环实验和非对称应力下的棘轮行为分别进行了模拟和预测，以检验所提出模型的预测能力.
　　2.1   材料参数的确定
　　 E和v可由多晶铜的单轴拉伸曲线获得. 流动准则中的参考滑移率[γ] 0一般设置为0.001 s-1，m反映材料粘性的参数，值较大时，模型描述的变形与接近率无关，考虑加载速率的影响，因此取值较小. 总位错密度的初始值ραT设置为大多数退火FCC单晶的典型值，即ραT = 1.6 × 1010 m-2 . 初始位错总体被认为是由等比例的刃位错和螺位错组成的，因此ρe = ρs = 0.5ραT. 式（6）中的统计系数λ基于Kuhlmann-Wilsdorf的工作[18]被赋值为0.3.
　　 考虑到不同滑移系之间的潜硬化和自硬化效应，位错交互作用矩阵hα β的ω1和ω2分别为1.5和1.2[19]. 为反映刃位错和螺位错对滑动的贡献相同，式（9） （10）中的参数Ce和Cs设置为0.5. 此外，之前对紫铜[19]的滑动线测量结果表明，刃位错的移动距离大约是螺位错的两倍. 参数Ks为Ke的两倍，即Ks = 2Ke，ds=5de. C和D可以参考文献[20]给出的取值范围. 与随动硬化律相关的参数c、b0、bsat和γ0，可以由试错法通过非对称应力循环下的一条棘轮应变的演化曲线确定. 所得到的多晶铜的材料参数如表1所示.
　　2.2   多晶铜的模拟结果
　　 由图2可见，提出的模型能够对材料响应的应力幅值随循环周次逐渐增加的现象给出合理的模拟，也能模拟出循环硬化速率随循环周次逐渐降低的特性. 但是模拟的循环应力应变曲线在弹性到塑性过渡段没有实验的应力应变曲线光滑，可能是由以下原因造成：一是本文应用只包含一项修正的Armstrong-Frederick非线性随动硬化模型来模拟背应力的演化，而非Chaboche模型[21]、Ohno-Wang模型[22]或者Ohno-Abdel-Karim模型[23]包含了3項甚至更多项的非线性随动硬化律来模拟材料的应力应变循环曲线，因此造成了模拟的循环应力应变曲线形状不够光滑;二是本文通过显式尺度过渡准则把单晶的本构模型拓展到多晶尺度，该尺度过渡准则不能准确地反映晶粒之间变形协调性. 后面的研究可以把本构方程编成ABAQUS用户子程序Umat，通过晶体塑性本构模型和有限元结合，更加合理地考虑晶粒之间的相互作用，来模拟材料的循环变形行为.
　　 图3（a）和图3（b）给出了应力工况为（40±80） MPa的应力应变滞回环的实验和模拟结果. 文中分别提取了应力应变滞回环的第5圈、第10圈、第20圈、第50圈和第100圈，其中c表示循环的圈数. 由于多晶铜为循环硬化材料，应力应变滞回环曲线随着循环周次的增加逐渐变窄，在经过一定的循环周次后，滞回环的大小基本保持不变. 与本文提出的模型（模拟应力应变滞回环的演化规律和实验的规律）是一致的，体现出多晶铜的循环硬化特征. 图3（c）和图3（d）给出了多晶铜在不同平均应力和应力幅值下棘轮应变的演化曲线，新提出的模型能够对棘轮应变和棘轮应变率的演化给出合理的预测，即棘轮应变会随着循环周次的增加而增大，而棘轮应变率会逐渐降低，最后保持为一个接近于零的常数. 同时新模型也能够合理地预测应力幅值和平均应力对棘轮变形的影响，即棘轮应变会随着应力幅值和平均应力的增加而增大.
　　2.3   单晶铜的预测结果
　　 提出的本构模型是在单晶水平上建立的，利用显式尺度过渡准则，即β准则拓展到多晶尺度. 本文应用表1中的材料参数，对单晶铜在平均应力非零的应力循环下的棘轮变形的演化曲线进行了预测，给出的定性的预测结果如图4所示.
　　 图4（a）为单晶铜在不同晶体学位向的棘轮应变的预测结果. 由图可见，新提出的模型可以对不同晶体学位向的棘轮行为进行预测. 图4（b）和图4（c）为单晶铜在 晶向上不同应力工况下的单轴棘轮行为的预测结果，可以看出新模型能够合理预测棘轮行为对应力幅值和平均应力的依赖性.
　　3   结   论
　　 本文通过把刃位错和螺位错的演化规律引入到各向同性硬化律，采用修正的Armstrong-Frederick非线性随动硬化模型和显式的尺度过渡准则，建立了基于位错密度的循环多晶粘塑性本构模型，并应用该模型对面心立方结构多晶铜的循环变形行为进行模拟. 结果显示，新发展的模型不仅可以模拟紫铜在对称应变循环下的循环硬化特性，还可以模拟紫铜在不同应力水平下的棘轮行为. 同时单晶形式的本构模型也能够对不同晶向和不同应力水平下的棘轮行为进行合理的预测. 　　参考文献
　　[1]    OHNO N. Recent topics in constitutive modeling of cyclic plasticity and viscoplasticity [J]. Applied Mechanics Review，1990，43（11）：283—295.
　　[2]    KANG G. Ratchetting：recent progresses in phenomenon observation，constitutive modeling and application [J]. International Journal of Fatigue，2008，30（8）：1448—1472.
　　[3]    CHABOCHE J L. A review of some plasticity and viscoplasticity constitutive theories [J]. International Journal of Plasticity，2008，24（10）：1642—1693.
　　[4]    BARI S，HASSAN T. An advancement in cyclic plasticity modeling for multiaxial ratcheting simulation [J]. International Journal of Plasticity，2002，18（7）：873—894.
　　[5]    ZHAO W，YANG S，WEN G，et al. Fractional-order visco-plastic constitutive model for uniaxial ratcheting behaviors [J]. Applied Mathematics and Mechanics （English Edition），2019，40（1）：49—62.
　　[6]    FEAUGAS X，GAUDIN C. Ratchetting process in the stainless steel AISI 316L at 300 K：an experimental investigation [J]. International Journal of Plasticity，2004，20（4/5）：643—662.
　　[7]    KANG G，DONG Y，WANG H，et al. Dislocation evolution in 316L stainless steel subjected to uniaxial ratchetting deformation [J]. Materials Science & Engineering A （Structural Materials：Properties，Microstructure and Processing），2010，527（21/22）：5952—5961.
　　[8]    DONG Y，KANG G，LIU Y，et al. Dislocation evolution in 316 L stainless steel during multiaxial ratchetting deformation[J]. Materials Characterization，2012，65：62—72.
　　[9]    XU B，JIANG Y. A cyclic plasticity model for single crystals [J]. International Journal of Plasticity，2004，20（12）：2161—2178.
　　[10]  CAILLETAUD G，SAI K. A polycrystalline model for the description of ratchetting：effect of intergranular and intragranular hardening [J]. Materials Science & Engineering A （Structural Materials：Properties，Microstructure and Processing），2008，480（1/2）：24—39.
　　[11]  ARMSTRONG P J，FREDERICK C O. A mathematical representation of the multiaxial bauschinger effect [J]. Materials at High Temperatures，1966，24（1）：1—26.
　　[12]  KANG G，BRUHNS O T，SAI K. Cyclic polycrystalline visco-plastic model for ratchetting of 316L stainless steel [J]. Computational Materials Science，2011，50（4）：1399-1405.
　　[13]  罗娟，康国政，董亚伟，等. 多晶铜和铝单轴棘轮行为的循环晶体塑性本构模拟[J]. 工程科學与技术，2012，44（s2）：80—83.
　　LUO J，KANG G Z，DONG Y W，et al. Modeling for ratcheting of polycrystalline copper and aluminum by cyclic crystal plasticity [J]. Advanced Engineering Sciences，2012，44（s2）：80-83. （In Chinese） 　　[14]  肖雄.多晶銅单轴棘轮效应的实验和晶体塑性本构模型研究[D]. 南京：南京理工大学理学院，2018：10—17.
　　XIAO X. Experimental study on uniaxial ratcheting effect and crystal plastic constitutive model of polycrystalline copper [D]. Nanjing：School of Science，Nanjing University of Science and Technology，2018：10—17. （In Chinese）
　　[15]  CHEONG K S，BUSSO E P. Discrete dislocation density modelling of single phase FCC polycrystal aggregates [J]. Acta Materialia，2004，52（19）：5665—5675.
　　[16]  ABD E A A，XU Y，SANGYUL H，et al. Computational homogenization of tensile deformation behaviors of a third generation Al-Li alloy 2060-T8 using crystal plasticity finite element method [J]. Materials Science and Engineering：A，2018，731：583—594.
　　[17]  CAILLETAUD G，PILVIN P. Utilisation de modèles polycristallins pour le calcul par éléments finis [J]. Revue Européenne Des ?léments Finis，1994，3（4）：515-541.
　　[18]  KUHLMANN-WILSDORF D. Theory of plastic deformation：properties of low energy dislocation structures [J]. Materials Science & Engineering A （Structural Materials：Properties，Microstructure and Processing），1989，113：1—41.
　　[19]  MADER S. Elektronmikroskopische untersuchung der gleitlinienbildung auf kupfereinkristallen [J]. Zeitschrift FüR Physik 1957，149：73—102.
　　[20]  董亚伟.多晶金属棘轮行为的微观机理及相关本构模型研究[D]. 成都：西南交通大学力学与工程学院，2014：79—103.
　　DONG Y W. Study on the mechanism of ratchetting of polycrystalline materials and corresponding constitutive model [D]. Chengdu：School of Mechanics and Engineering，Southwest Jiaotong University，2014：79—103. （In Chinese）
　　[21]  CHABOCHE J L. On some modifications of kinematic hardening to improve the description of ratchetting effects [J]. International Journal of Plasticity，1991，7（7）：661—678.
　　[22]  OHNO N，WANG J D. Kinematic hardening rules with critical state of dynamic recovery，part I：formulation and basic features for ratchetting behavior [J]. International Journal of Plasticity，1993，9（3）：375—390.
　　[23]  ABDEL-KARIM M，OHNO N. Kinematic hardening model suitable for ratchetting with steady-state [J]. International Journal of Plasticity，2000，16（3）：225—240.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/4/view-15190480.htm