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多晶铜单向压缩塑性变形机制多尺度研究

庄大勇  
【摘要】:金属塑性变形理论在研究金属塑性加工和机械结构变形失效方面具有重要的意义。基于连续介质力学的唯像塑性本构理论在于能够在宏观尺度上解决金属的塑性变形问题。晶体塑性理论引入了塑性剪切应变来描述滑移系上的位错运动,运用统计学思想将不连续的位错运动看作连续的塑性变形过程,从而将微观结构与宏观的连续介质力学联系在一起。不同尺度的相同金属材料,其塑性变形的宏观力学行为可能会存在巨大的差异,表现出强烈的尺寸效应问题。本论文就是从连续介质力学的唯像塑性本构理论和晶体塑性本构理论出发,从宏观尺度和介观尺度研究多晶铜塑性变形的基本机制。以多晶铜棒为研究对象,在室温下对其进行了不同变形量(20%、40%和60%)下的压缩试验,对于压缩变形后的多晶铜的显微组织及织构演化进行了电子背散射衍射(Electron Back-Scattered Diffraction,简称EBSD)分析。分析结果表明:随着变形的增加,几何必要位错(geometric necessary dislocation,简称GND)密度在晶粒内部和晶界处都出现不均匀现象,对位错运动起到阻碍作用,增大了变形抗力;原始试样多以大角度晶界为主,当压缩变形60%时,晶粒内部小角度晶界增加,晶粒得到细化,晶界数目增多;冷变形促使晶粒的转动,形成织构现象。当变形量为20%时,多晶铜表现为{111 }112织构,当变形量为60%时,多晶铜表现为{111}110纤维织构。采用基于连续介质力学的刚塑性有限元法,对于多晶铜的单向压缩进行了模拟,获得了不同变形量下的应力场、应变场和速度场。基于不同变形区下的应力分布和应变分布,揭示了在宏观尺度下多晶铜单向压缩塑性变形的不均匀性。从位错滑移的晶体塑性本构模型为切入点,基于Voronoi理论,构建了多晶铜晶体塑性有限元模型,优化了晶体塑性有限元模拟参数(包括晶粒取向、晶粒数量和单元数量),拟合了相关材料常数,并对多晶铜单向压缩下的应力应变行为、不同变形量下的织构演化以及塑性变形不均匀性进行了模拟。模拟结果表明,晶体塑性有限元能够很好的模拟多晶铜的宏观应力-应变力学行为,而且能够很好的捕捉织构演化的主要特征。随着变形程度的增加,110纤维织构逐步形成,从而形成择优取向。由于变形的协调要求,晶粒之间以及晶粒内部沿着RD (rolling direction), ND (normal direction)和TD(transverse direction)方向发生不同程度的转动,反映出晶粒尺度上塑性变形的不均匀。模拟结果和实验结果保持了很好的一致性。


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