金属学报：孪生诱发软化与强化效应的Cu晶体塑性行为模拟

    众所周知，位错滑移和孪生是主导多晶体材料塑性行为的主要变形机制。一方面，在孪生主导塑性条件下，孪晶激活演化过程中应力-应变曲线存在明显的应力突降现象，即孪生软化效应；另一方面，孪晶阻碍位错运动使得晶体材料在塑性变形过程中表现出强化现象。为了能够精确描述孪晶激活演化及其与位错交互作用对宏观塑性行为的影响，来自于天津理工大学的郭祥如和申俊杰两人基于晶体塑性理论建立描述孪晶形核、增殖和长大的位错密度基晶体塑性本构模型，揭示了不同晶体取向Cu单晶拉伸变形过程中位错滑移、孪生激活及其交互作用下的宏观塑性行为演化规律，进一步分析了Cu多晶拉伸变形过程中晶粒间交互作用对孪生软化、应变硬化等宏观塑性行为的影响。

    为了应用该模型准确模拟材料的宏观力学响应，必须确定该模型相关材料参数。作者结合fcc晶体材料滑移系和孪生系的晶体学特征，根据前人对Cu的研究结果，最终得出晶体塑性模型Cu单晶材料参数。建立如图1所示的Cu单晶CPFE模型。

图1 Cu单晶拉伸过程的晶体塑性有限元模型示意图

    为了验证上述CPFE模型的可靠性，图2给出了Cu单晶沿不同取向拉伸过程的力学响应模拟及实验结果的对比情况。可以看出，模拟结果与实验结果吻合良好。在Cu单晶沿[541]取向加载条件下，其应力-应变曲线分成明显的3个阶段，即滑移阶段A、孪生阶段B及位错与孪晶交互作用阶段C。为了深入揭示Cu单晶塑性变形过程中各滑移系和孪生系激活演化行为及孪晶对位错滑移的影响，图3给出了[541]取向下Cu单晶拉伸变形过程中各滑移系和孪生系激活演化结果。

图2 Cu单晶沿[541]和[163]取向拉伸变形过程中真应力和孪晶体积分数随应变演化的模拟与实验结果

图3 Cu单晶沿[541]取向拉伸变形过程中各滑移系和孪生系的激活演化结果

    为了反映多晶中晶粒的组织形貌及取向特征，基于Voronoi的特征微元重构多晶微结构，如图4所示。该几何模型由开源软件Neper建立，约包含100个等轴晶粒。

图4 Cu多晶拉伸过程晶体塑性有限元模型示意图

    为了揭示多晶变形过程中孪晶对宏观力学响应的影响，图5给出了Cu多晶拉伸过程中宏观塑性行为的演化结果。进一步分析Cu多晶和单晶变形过程中孪生机制对应变硬化行为的影响，图6给出了Cu单晶和多晶拉伸变形过程的应变硬化率演化结果。

图5 Cu多晶拉伸变形过程中真应力、位错密度和孪晶体积分数随应变的演化曲线

图6 不同取向Cu单晶和多晶变形过程中的应变硬化演化曲线

    为了直观反映位错滑移和孪生机制对Cu多晶变形过程中宏观塑性行为影响，图7给出了Cu多晶加载结束时对应的位错密度和孪晶体分布结果。，图8给出了Cu多晶塑性变形过程中不同应变时对应的孪晶体积分布结果。可以看出Cu多晶塑性变形过程中受晶体取向、晶粒形状及晶粒间交互作用等因素影响，各晶粒内位错密度分布不均匀，位错密度主要集中在晶界处。孪晶也首先在晶界处形成，随着应变增加，晶粒间交互作用逐渐增强，在晶粒间交互作用下不利于孪生取向的晶粒也逐渐形成孪晶。

图7 多晶Cu拉伸变形后对应的位错密度和孪晶体积分布

图8 多晶Cu拉伸变形过程中不同应变对应的孪晶体积分布

    相关研究成果以“孪生诱发软化与强化效应的Cu晶体塑性行为模拟”为题发表在金属学报上（第58卷第3期2022年3月）,论文第一作者为郭祥如，通讯作者是申俊杰。

论文链接：

https://doi.org/10.11900/0412.1961.2021.00230