变形与组织结构演化的耦合模型与模拟

Simulations of deformation and morphological evolutions of crystal materials are now in independent developments, only limited coupled work can be found between them. But for real materials, deformation and morphologies are nearly inseparable. The inner morphologies evolve with the deformation process. Meanwhile, changes of morphologies directly change the mechanic properties and then influencing the deformation process itself. So, in order to deeply study the relationship between the deformation process and the morphological evolutions, we need a fully coupled model of these two aspects. In present project, we will combine the crystal plasticity model and phase field models into a new coupled model, and employ finite element method to solve it. We will use this coupled model to study the deformation process of Mg alloy in different length scale, including the morphological evolution of deformation twin and the relationship between twin and deformation process.

目前晶体材料的变形模拟和内部组织演化模拟基本处于相互独立的发展中，或者只是简单的耦合。然而对于实际材料来说，材料的变形与组织之间存在密不可分的关系，内部组织随着变形过程而发生改变，同时组织的改变直接导致了材料性能的变化，从而对变形过程本身产生影响。因此想要深入研究材料变形过程及其内部状态就必须在模型层次上耦合变形过程及组织演化过程。以此为出发点，本研究拟将用于晶体变形模拟的晶体塑性模型和用于组织演化模拟的相场模型进行模型层次的耦合，并用有限元方法进行求解。并采用该耦合模型模拟密排六方单/多晶体镁合金材料在实际变形约束条件下的宏/微观变形过程与内部孪晶形态的演变及其相互影响。

项目目标为晶体塑性变形过程及材料内部微观结构演化的同步耦合模拟，为此首先建立了晶体变形及组织演化的耦合模拟理论框架模型并开发了相关算法及计算程序。作为应用，以镁合金微观塑性变形和结构演化间的耦合为研究目标，建立了相应的适用于镁合金的新晶体塑性模型及新的相场孪晶模型，并在耦合模拟框架模型下将两者进行了耦合。本项目所建立的耦合框架模型可适用于耦合晶体弹塑性变形与各种不同的微观结构演化；相比一般hcp晶体塑性模型，本项目所建立的镁合金晶体塑性模型可在均匀化场尺度更好地表达位错-位错、孪晶-孪晶及位错-孪晶间的复杂交互；而本项目所建立的相场孪晶模型摒弃了以往相场模型中的人为约束及限制条件，可自然地获得不同孪晶变体在不同变形条件下的复杂交互，尤其首次模拟了二次及多次孪晶的形成和发展。本项目为今后微观变形-结构的研究提供了新的方法。