FCC金属不均匀滑移变形的织构多晶体有限元模拟

论文摘要

本文以晶体塑性力学为物理基础，提出了四维空间均匀取向离散和基于粒子群优化（PSO）织构组分分析两种取向离散化技术，并建立了织构多晶体塑性有限元（Textured Poly-Crystal Plasticity Finite Element，TPCPFE）技术，比较系统地研究了晶粒间和晶内细观不均匀变形对FCC金属形变织构演变的影响；首次提出采用离散的各点与所在晶粒平均取向的取向差平均值θm来表征细观层次的塑性变形不均匀性的概念和参数，采用织构多晶体塑性有限元模拟了初始取向不均匀性和晶界类型对平面压缩（Plain Strain Compression，PSC）变形时的细观（这里的细观主要是指晶粒尺度）层次塑性变形不均匀性的影响；并且在晶体织构研究领域内首次试图将具有全局寻优的粒子群优化（Particle Swarm Optimization，PSO）算法引入到织构定量分析及优化设计中来，为定量织构分析及织构对成形性能影响研究提供一种更精确而有效的方法。研究结果表明： （1） 本文提出的PSO定量织构组分分析方法可更精确有效地定量计算和分析织构。PSO方法和单纯型算法结果对比表明，当织构组分数目较少的时候，两种方法的精度一样；然而当织构组分较复杂的时候，PSO方法避免了单纯型算法容易陷入局部极值使计算精度不高甚至有误的情况，因而PSO织构的定量计算与分析更具普遍性和可靠性； （2） 本文提出的以晶内离散各点与所在晶粒平均取向的取向差的平均值θm表征晶内细观层次塑性变形不均匀的方法避免了EBSD分析中IQ值由于电子束移动而造成散焦的影响。本文还结合再结晶形核条件提出了以参数θmc作为平均取向差临界值作为EBSD定量分析材料部分再结晶的一项判据。 （3） 本文考虑晶粒间和晶内塑性变形不均匀的织构多晶体塑性有限元模拟的晶体取向分布比其他Sachs、FC及其改进模型模拟的晶体取向分布结果更接近实际。 （4） 以θm为考察指标，从晶内变形不均匀的角度结合织构多晶体塑性有限元模拟，提出了细观不均匀变形强化立方织构的学术观点，模拟计算了表征不均匀变形的θm与变形前后取向中心取向差θrot的变化规律，以此揭示了立方取向晶体在平面压缩变形过程中不均匀塑性变形流变特性。 （5） 结合织构多晶体塑性有限元的PSO织构优化设计比传统单纯型的设计结果更精确。优化设计结果表明，单纯的形变织构或再结晶织构都难以实现无平面塑性各向异性的目标，只有各组分的形变织构和再结晶织构的组合才有可能使平面塑性各向异性优化变小，从而为织构优化控制提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第1章 文献综述
• 1.1 晶体取向及织构定量分析
• 1.1.1 晶体取向
• 1.1.2 晶体取向差
• 1.1.3 织构定量分析
• 1.1.4 EBSD与织构分析
• 1.2 塑性变形及其有限元模拟
• 1.2.1 塑性变形有限元及其研究的层次性
• 1.2.2 晶体塑性有限元及其应用
• 1.3 晶粒的均匀与不均匀塑性变形模型
• 1.3.1 晶体均匀塑性变形模型
• 1.3.2 晶间塑性不均匀变形的模型
• 1.3.3 晶粒变形不均匀性
• 1.3.4 晶内不均匀塑性变形织构模拟的思路
• 1.4 晶体塑性力学理论与各向异性描述
• 1.4.1 塑性各向异性及其描述
• 1.4.2 屈服的晶体塑性力学描述
• 1.4.3 屈服的连续介质力学描述
• 1.4.4 CMTP塑性理论
• 1.5 铝及铝合金中的织构问题
• 1.5.1 冲压制耳
• 1.5.2 高压阳极电容铝箔
• 1.6 本文主要的研究内容
• 1.7 本章小结
• 第2章 材料及实验
• 2.1 材料制备
• 2.2 拉伸实验
• 2.3 织构测算
• 2.3.1 试样制备
• 2.3.2 宏观极图测定
• 2.3.3 ODF计算
• 2.3.4 显微织构EBSD测算
• 2.4 本章小结
• 第3章 粒子群优化方法与织构组分分析
• 3.1 粒子群优化方法简介
• 3.2 织构组分的粒子群优化分析
• 3.2.1 织构组分分析的目标函数
• 3.2.2 织构组分的粒子群优化分解
• 3.3 分析结果对比
• 3.3.1 分析结果评价方法
• 3.3.2 分析结果对比
• 3.4 PSO织构组分分析的应用
• 3.4.1 PSO织构组分与鬼峰消除
• 3.4.2 PSO织构组分分析在分析退火温度影响高纯铝再结晶立方织构中的应用
• 3.4.3 PSO织构组分分析在分析杂质Fe含量影响高纯铝再结晶立方织构中的应用
• 3.5 本章小结
• 第4章 织构多晶体塑性有限元模型
• 4.1 有限应变弹塑性有限元方程
• 4.1.1 弹塑性有限元方程的建立
• 4.1.2 弹塑性有限元方程中的非线性方程组的解法
• 4.2 晶体塑性本构模型
• 4.2.1 金属滑移几何和运动学
• 4.2.2 晶体塑性本构方程的求解
• 4.3 织构多晶体材料的取向离散
• 4.3.1 弱织构材料中的取向离散化
• 4.3.2 强织构材料中的取向离散化
• 4.4 本章小结
• 第5章 细观不均匀变形及其表征
• 5.1 不均匀变形及其晶体取向表征
• 5.1.1 晶粒平均取向的计算
• 5.1.2 对称性对晶粒取向统计分析的影响
• 5.2 不均匀塑性变形的EBSD分析
• 5.2.1 高纯铝中的细观变形不均匀性的EBSD分析
• 5.2.2 部分再结晶材料中再结晶分数的EBSD分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 细观不均匀变形与形变织构模拟
• 6.1 形变织构与晶粒间不均匀变形模拟
• 6.1.1 均匀变形的Taylor模型
• 6.1.2 晶粒间不均匀变形模拟
• 6.2 轧制织构的织构多晶体塑性有限元模拟
• 6.2.1 几何有限单元的晶体取向分配
• 6.2.2 模拟结果对比与分析
• 6.3 晶内细观不均匀变形的织构多晶体塑性有限元模拟
• 6.3.1 初始取向不均匀性对塑性变形不均匀性的影响
• 6.3.2 晶粒相互作用对塑性变形不均匀性的影响
• 6.3.3 细观不均匀塑性变形强化立方织构
• 6.4 本章小结
• 第7章 FCC金属塑性各向异性的织构多晶体有限元模拟
• 7.1 织构与成形性关系的织构多晶体有限元模拟
• 7.1.1 常见织构组分的平面塑性各向异性模拟
• 7.1.2 AA3104铝合金平面塑性各向异性的织构多晶体塑性有限元模拟
• 7.2 基于粒子群优化方法的织构优化设计
• 7.2.1 织构优化在PSO方法中的描述
• 7.2.2 基于平面塑性各向异性的织构优化
• 7.2.3 基于成形极限的织构优化设计
• 7.3 本章小结
• 第8章 结论与展望
• 8.1 本文研究结论
• 8.2 织构多晶体塑性有限元与不均匀变形研究展望
• 参考文献
• 附录
• A.1 织构多晶体塑性有限元中求解过程中的方向导数
• A.2 基于PSO织构组分分析的取向离散化MATLAB源程序
• 致谢
• 硕博连读期间主要研究成果