晶体塑性理论及模拟研究进展

回顾了大变形晶体塑性理论的发展历程、本构模型和均匀化方法,综述了晶体塑性理论成果和典型应用场合。从流动模型、加工硬化模型和状态变量演化的角度对比分析了唯象的和基于物理机理的晶体塑性模型的理论基础和优缺点;阐述了平均场晶体塑性模型和全场晶体塑性模型的特点和适用场合;从金属多晶体材料的各向异性、织构演化、非均匀塑性变形、可成形性、尺度效应、损伤断裂行为、热变形和微观组织演化、虚拟测试等角度介绍了晶体塑性模拟的典型应用场合,并展望了该领域的未来发展趋势。     

微观结构演化过程中连续相场模型的应用

相场法作为一种强大的计算模拟方法已广泛应用于模拟和预测材料介观形态及微观结构的演化。模型中采用一系列在界面处连续变化的保守及非保守场变量构造的自由能函数来描述材料的微观结构,场变量在时间和空间上的演化分别遵循Cahn-Hilliard的非线性扩散方程和Allen-Cahn弛豫方程。本文介绍了连续相场法及其应用,还有常用的两种不同动力学数值解法,以及几种常见的相场模型。     

基于滑移与孪生镁合金晶体塑性本构模型及微结构关联分析

为了揭示镁合金晶体微结构与孪生变形之间的关联性,采用伪滑移模式描述孪生变形,建立包含滑移与孪生变形机制的晶体塑性本构关系,推导以剪切应变率作为自变量的本构方程牛顿-拉普森迭代式。采用基于体素方法建立的多晶三维微结构有限元模型,对挤压镁合金材料沿挤压方向加载的单轴拉伸和压缩变形行为进行模拟。模拟结果表明,单轴加载下模拟与试验的材料宏观硬化行为基本吻合,及压缩变形的模拟织构演化与试验织构演化也基本趋同。对多晶体内基本物理量的统计分析表明,该模型能够展现多晶内的应力应变、孪晶体分数在空间的不均匀分布特性,而孪晶体分数分布与晶粒尺寸、晶界位向角及晶界倾角等微结构之间缺乏确切的关联性,表明非均匀微结构所导致的独特应力非均匀状态并不是出现孪生变形与微结构强关联性的原因。     

金属高温塑性成形微观组织演变研究进展

金属在热加工过程中微观组织发生动态、静态回复以及再结晶、晶粒长大等一系列复杂的演化,材料内部微观结构的改变,会直接影响成形后金属的成形质量和力学性能。文章阐述了金属高温塑性成形时微观组织预测模拟的主要研究方法,即直接模拟法、相场法和有限元法;并分别评述了各方法目前在国内外的研究概况、特点以及缺点和适用范围;重点介绍了基于物理本质多尺度耦合的微观组织内变量有限元模型方法。研究结果表明,基于内变量法的微观组织物理模型相对其他方法,最适合用于多尺度微观组织预测数值模拟,模拟结果与实际更为相符,而且最能解释说明各变量演变的物理机制,具有广阔的应用前景。     

CA法及其在材料介观模拟中的应用

元胞自动机(CA)是复杂体系的一种理想化模型,适合于处理难以用数学公式定量描述的复杂动态物理体系问题,如材料的组织演变等。本文概述了CA法的基本思想及原理,介绍了CA法的基本组成及特征,综述了其在材料介观模拟研究中的应用。研究表明,CA法在金属凝固结晶、再结晶及相变现象等材料介观尺度的组织模拟中表现出特有的优越性。     

超声辅助介观尺度纯钛塑性变形晶体塑性数值模拟

纯钛是以孪生为主要变形机制的密排六方金属,塑性变形时需要考虑到孪晶的影响。建立了考虑形变孪晶的晶体塑性有限元模型,模拟超声辅助下的介观尺度纯钛微镦粗时的变形规律。通过模拟结果与试验结果对比,证明了所建模型的合理有效。模拟结果发现随着超声振幅的增大,超声振动辅助介观尺度纯钛变形的应力下降值增大,而0～120 k Hz内超声频率对变形影响不大。超声会使介观尺度材料的形变孪晶体积分数降低,随着超声振幅的增加,形变孪晶体积分数下降值增大。晶体塑性有限元模型比各向同性有限元模型能更合理地反映材料真实变形。     

热电材料微结构调控热电输运行为的研究进展

热电材料是绿色能源转化、温差电技术应用的关键材料。由于各性能指标相互抑制,材料热电性能改善遇到瓶颈。材料微结构设计协同调控热电性能为下一代热电材料发展提供了一条明确思路。本文介绍热电材料"多尺度微结构构筑"、"电子晶体离子液体"、"晶格缺陷工程"等改善热电性能的新概念,从原子、纳米、微米等尺度分析能带调控、弱键合、非简谐振动效应、纳米畴散射机制、调幅分解、能量过滤机制、相变现象等物理、化学过程对热电输运行为的影响;阐述了热电材料晶体微结构特征,总结了点缺陷、晶界、纳米畴等结构参量对能带结构、载流子自由程、晶格振动模式等物理参量的影响规律;展望了下一代高性能块体热电材料的发展方向。     

介观尺度模拟方法及其在金属材料微观组织演变中的应用

介观尺度模拟方法是表征金属材料微观结构变化或微观组织结构与力学性能之间关系的重要手段，可以在减少实验数量的基础上，将结果性实验向过程性实验转移，从而更直观地表征实验结果。针对金属材料常见的介观尺度模拟方法，对晶体塑性模型、蒙特卡罗法、相场法以及元胞自动机法进行了综述，回顾了不同方法的理论基础和发展历程，阐述了其特点及局限性；分别从金属材料织构演变、动态再结晶、固态相变和凝固相变等角度介绍了不同方法的典型应用场合，最后展望了该领域未来的发展趋势，以期为金属材料微观组织演变的介观尺度模拟提供更具参考性的方法。     

金属间化合物结构材料反位缺陷及其对性能的影响

反位缺陷是金属间化合物中的本征点缺陷,它对材料的力学性能、物理性能、化学性能都有重要的影响,在某些情况下成为决定性能的关键结构要素。首先评述了反位缺陷研究理论,基于量子力学的第一性原理方法、EAM法研究结构材料反位缺陷侧重缺陷的物理和化学原理,基于Ginzburg-Landau方程的微观相场法侧重缺陷微结构演化的动态过程。然后,作者通过图解反位缺陷与传输机制之间的关系说明反位缺陷对高温结构材料的积极贡献以及对性能的危害。最后,作者通过评述常见的L12结构和B2结构反位缺陷及第三组元择优占位的研究进展,归纳了结构材料反位缺陷研究存在的问题。     

金属间化合物结构材料反位缺陷及其对性能的影响

反位缺陷是金属间化合物中的本征点缺陷,它对材料的力学性能、物理性能、化学性能都有重要的影响,在某些情况下成为决定性能的关键结构要素。首先评述了反位缺陷研究理论,基于量子力学的第一性原理方法、EAM法研究结构材料反位缺陷侧重缺陷的物理和化学原理,基于Ginzburg-Landau方程的微观相场法侧重缺陷微结构演化的动态过程。然后,作者通过图解反位缺陷与传输机制之间的关系说明反位缺陷对高温结构材料的积极贡献以及对性能的危害。最后,作者通过评述常见的L12结构和B2结构反位缺陷及第三组元择优占位的研究进展,归纳了结构材料反位缺陷研究存在的问题。     

金属玻璃结构及其失稳的原子层次研究

金属玻璃无序结构的非均匀性特征给实验研究其原子尺度的结构特性带来了巨大挑战,目前的实验研究手段仍然受限于时空分辨率的不足,很难捕捉到金属玻璃微观结构的局域响应,而计算模拟能够从原子层次上理解非晶结构及其响应规律。但由于元素间相互作用、计算方法和计算能力的限制,用于计算模拟研究的模型体系和真实的金属玻璃材料之间还存在着难以逾越的鸿沟。充分利用和综合现代计算机技术、软件和算法的成果,探索和发展更有效的计算模拟体系应用于金属玻璃计算模拟研究是解决这一困境的可能途径。本文主要综述了近年来我们关于金属玻璃结构与失稳计算模拟研究的重要进展,及其对认识和调控材料性能、优化材料制备方面的影响,并对未来金属玻璃计算模拟研究进行了简要的展望。     

金属纳米复合材料的界面和尺度效应

在宏观尺度上制造出具有纳米结构和纳米效应的高性能金属材料,并揭示这些材料的组织演化特征以实现功能调控,是金属材料学科面临的重大科学问题和需要解决的核心关键技术。阐述金属纳米材料界面、尺度与材料塑变、强化关系的主要研究进展,重点介绍宏观尺寸制备金属纳米复合材料、纳米尺度下经典Hall-Petch关系和复合材料混合定律的适用性、界面特征和尺度效应对材料微观结构、力学性能以及物理特性等的影响,指出面向应用的高性能金属纳米复合材料的发展趋势。     

温热精密成形微观组织模拟研究

金属在温热成形过程中的微观组织演化是影响产品力学性能的关键因素，本文系统介绍了材料温热成形组织演化的物理模拟、有限元数值模拟的研究内容及方法。     

单晶纯钛的细观力学性能模拟

采用晶体塑性理论和有限元方法,建立描述密排六方结构(hcp)金属力学行为的细观数值本构模型,利用该模型对单晶纯钛在高温下的单向拉伸试验进行模拟。模拟结果和实验现象相吻合,显示了该模型的有效性。计算结果同时揭示了单晶纯钛变形过程中各个滑移系所起的作用,并对滑移系的运动和晶格转动等细观演化规律进行了分析。     

船舶表面微结构防污技术研究进展

海洋污损生物对船壳浸水表面的危害十分严重,基于表面微结构的防污技术是一种绿色防污方法,不会对海洋生态环境造成任何危害,近些年来得到了重点研究。文中分析了自然界中多种具有自清洁能力的动植物的表面微观结构特征;总结了表面微观结构防污机理研究方面的进展;阐述了几种现有的微观结构防污理论模型:ERI模型、纳米力梯度模型以及SEA模型。对当前常用的微米级结构、纳米级结构以及微纳复合结构的加工方法进行了综述;分析了目前微结构表面防污性能常用评价方法:实船试验方法、浅海浸泡试验方法、接触角试验方法、附着力测量试验方法以及生物附着试验方法。基于细菌、石莼孢子、硅藻和藤壶金星幼虫等典型海洋污损生物,对表面微结构的防污特性进行了分析,提出深入研究海洋污损生物的附着机理和表面微结构的防污机理,进而建立表面微结构的设计基准。多尺度微纳结构的快速精准加工和完善防污性能评价体系,是表面微结构防污发展中面临的难题和未来发展方向。     

金属熔体凝固微观组织模拟的相场方法研究

全面阐述了现有的金属熔体凝固微观组织模拟的相场模型:纯物质、二元合金理想溶液或正规溶液和稀溶液相场模型,指出构造适合于具有复杂溶液模型的金属熔体凝固微观组织模拟相场模型的必要性.提出采用相图计算热力学模型构造相场模型中的体系自由能,并对相场参数做出相应修正,建立了能对具有复杂溶液模型的金属熔体凝固微观组织进行准确模拟的相场模型.利用该相场模型对Ti-Al金属熔体中晶体的自由生长和定向生长进行了模拟,得到许多与试验观察和理论分析相一致的结果.     

磨削诱导单晶高温合金微观组织演化机制研究

目的 通过对零件磨削表面的微观组织进行表征，探讨高温和大应变条件下单晶高温合金晶体取向和位错的演化机制。方法 采用场发射扫描电子显微镜对磨削亚表面微观组织形貌进行观察，通过X射线衍射技术对磨削前后表面晶体取向进行分析。利用聚焦离子束定向切割技术制备了磨削表面透射电子扫描样品，采用透射电子显微镜和透射菊池衍射方法对表面白层以及塑性变形层晶体取向以及位错分布进行了表征。结果 磨削后单晶高温合金表面形成强烈塑性变形，原始单一取向发生改变，形成多晶衍射峰特征。磨削表面深度方向上形成具有不同晶粒尺寸和取向的梯度组织结构。选区衍射花样显示原始单晶材料的衍射斑点转变为多晶材料的衍射环。磨削表面由于强烈剪切变形和磨削热产生微纳尺度的动态再结晶现象，同时形成高密度位错结构。磨削表面产生强烈的剪切应变，使晶体向有利于剪切变形的方向旋转，形成了R-Cube织构和F剪切织构。结论 单晶高温合金磨削表面微观组织演化是基于微纳尺度的动态再结晶和位错滑移运动进行的。     

基于热力学和动力学协同的析出相模拟

析出强化是提升金属材料力学性能的重要手段,研究其涉及的析出相形成过程及机理对于理性控制强化效果,意义重大.本文立足于对相变热力学和动力学协同变化的处理,简要综述了基于CALPHAD计算热力学的介观尺度析出相模拟方法(包括DICTRA模拟、Kampmann-Wagner数值模型、Svoboda-Fischer-Fratzl-Kozeschnik模型、扩散场胞法)和从第一性原理计算出发的多尺度方法(包括相场法和基于Fokker-Planck方程的多尺度组织模拟).基于此,对金属材料热处理过程中析出相形成机理模拟研究的现状与发展前景做了探讨.     

表面机械研磨处理纯铜的宏细-观耦合数值研究

发展一种耦合宏-细观的数值模拟方法,多尺度研究表面机械研磨处理（SMAT）纯铜的动态晶粒细化行为及残余应力状态。首先建立SMAT宏观有限元模型,计算SMAT细化的晶粒尺寸;然后根据平均晶粒尺寸建立细观多晶体模型,并将SMAT宏观有限元模型计算的滑移阻力导入到晶体塑性本构模型,同时将宏观模型输出的应变场转换成多晶体模型的位移边界条件;最后进行当前材料硬化状态下的晶体塑性有限元计算,进而分析宏观模型中一个材料点处细观组织结构的应力状态和晶粒取向分布。结果表明,在SMAT过程中,随着多弹丸不定向冲击次数的增加,纯铜表层细化的晶粒尺寸逐渐减小,表面宏、细观残余压应力逐渐增大,但晶粒取向分布的不均匀度呈现出先增大后减小的趋势。     

金属增材制造的相场模拟现状及展望

金属增材制造涉及传热与传质、相变、晶粒生长、熔体流动等多个复杂物理过程,实现其微结构演变的定量模拟难度大。相场法采用序参量描述气/液/固相、晶粒形状/取向等复杂微结构,且能直接引入描述各物理过程的场变量(如浓度、温度、熔体流速等),在金属增材制造过程微结构模拟方面显示出巨大优势。本文简要介绍了相场法的发展和分类,归纳了不同相场模型的特点,详细综述了不同相场模型在金属增材制造凝固过程中微结构演化模拟的研究进展,重点探讨了不同相场模型在金属增材制造领域应用的优势与局限性。最后,展望了相场法在金属增材制造领域的应用前景,并指出其发展方向。