[发明专利]一种考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法

权利要求书

1.一种考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S1：建立与金属材料的晶粒尺寸相关的损伤模型，将其嵌入到用户子程序UMAT的本构模型中，所述用户子程序UMAT对应于一材料参数模块；

步骤S2：通过模拟拟合所需预测的金属材料的多种不同的微观结构的应力应变关系，得到所需的一参数组；

步骤S3：建立所需预测的金属材料的微观结构模型，计算模型中每个晶粒的尺寸并赋予到所述材料参数模块；

步骤S4：确定边界条件和加载条件，并根据所述步骤S2得到的参数组预测金属材料的力学性能。

2.根据权利要求1所述的考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，其特征在于，所述步骤S1包括：利用以下公式来建立金属材料尺寸相关的损伤模型，以描述损伤对材料力学性能的劣化程度：

C＝C(1-ω)，

其中，C为材料弹性张量，ω为损伤变量；

损伤变量ω的演化方程为：

其中，m为材料参数，ε_eq为累计塑性应变，ε_c为临界损伤应变；

临界损伤应变ε_c为：

其中，d为晶粒尺寸，A、B、ε₀为材料参数；

累计塑性应变ε_eq的演化如下：

其中，t为计算总时间，m^α为第α滑移系滑移方向的单位矢量，n^α为其滑移面法向的单位矢量，D^p为塑性应变率，为剪切应变率，F^e为弹性应变梯度。

3.根据权利要求2所述的考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，其特征在于，所述步骤S1的用户子程序UMAT的本构模型基于现有的晶体塑性本构模型的框架；在所述晶体塑性本构模型的框架中，每个晶粒的变形分解为弹性应变梯度F^e和塑性应变梯度F^p：

F＝F^eF^p，

弹性应变为：

ε^e＝C^-1：σ^g，

其中，ε^e为弹塑性本构方程中的弹性应变，σ^g为作用在晶粒中的应力张量，C^-1为材料弹性张量；

弹性应变ε^e为：

其中，F^e为弹性应变梯度，I为单位矩阵；

每个晶粒的塑性应变梯度为：

F^p为塑性应变梯度；P^α为第α滑移系的方向因子张量，为第α滑移系的剪切应变率；

其中，P^α为第α滑移系的方向因子张量，m^α为第α滑移系滑移方向的单位矢量，n^α为其滑移面法向的单位矢量；

每个潜在滑移系的切变量为：

其中，为第α滑移系的剪切应变率；T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，B^α为第α滑移系的背应力，S^α为第α滑移系的滑移阻力，τ^α为第α滑移系的分解切应力，F₀为热激活位错越过障碍的激活能，τ₀、p、q为材料常数，为临界剪切应变率；

其中，第α滑移系的分解切应力τ^α表示为：

其中，其中，F^e为弹性应变梯度，m^α为第α滑移系滑移方向的单位矢量，n^α为其滑移面法向的单位矢量，T^*是第二Piola-Kirchoof应力；

其中，第α滑移系的滑移阻力S^α为：

h^αβ＝h_s[w+(1-w)δ_αβ]，

其中，S^α为第α滑移系的滑移阻力，h^αβ为滑移硬化矩阵，h_s为静态硬化模量，w代表晶格硬化率，δ_αβ代表克罗内克函数，s₀、S_sat为传统晶粒尺寸对应的初始滑移阻力和饱和滑移阻力，S₀为多尺度的初始滑移阻力参数，k_s为霍尔佩奇系数，d为晶粒尺寸；S^β为在第β滑移系的滑移阻力；

每个滑移系的背应力为：

其中，h_b代表硬化率，代表参考硬化率，k_b、r_D为材料参数，d_n为当前计算晶粒的周围晶粒平均尺寸。