[发明专利]一种考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法

说明书

本发明提供了一种考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，包括：建立与金属材料的晶粒尺寸相关的损伤模型，嵌入用户子程序UMAT的本构模型中；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；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材料参数模块；确定边界条件和加载条件，并根据参数组预测金属材料的力学性能。本发明的金属材料强韧性能预测方法，能够更好地考虑晶粒尺寸对材料综合性能的影响，准确预测材料的力学性能，具有精度高、灵活性强、可实施材料性能评估和直观的优点。

技术领域

本发明涉及一种考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，属于材料力学性能有限元数值计算领域。

背景技术

随着能源动力、航空航天领域的飞速发展，工业对金属材料的综合性能提出了更高的要求，然而金属的强度和延展性的权衡一直困扰着材料科学家。为了解决这一问题，过去几十年来，人们一直在努力开发各种技术途径，以有效地定制金属材料的微结构，使其表现出独特的尺寸和协同效应，提高材料力学性能。然而由于这些新型材料的实验工艺成本高昂且制备速率缓慢，急需商业软件来实现准确预测和分析复杂微观结构的力学性能，来优化和指导未来的微观结构调控。

然而为了考虑新型金属结构材料的复杂微观结构，传统不考虑晶粒尺寸的损伤模型，即对于同一材料临界应变容限为定值的模拟方法已无法满足要求，如果损伤参量和材料的微观晶粒尺寸无对应关系，可能在分析一种微观结构时不会造成较大误差，但是其会造成性能预测和分析仅在小范围的尺寸下适用，并不具有普适性，进而失去材料的力学性能模拟的准确性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，以考虑不同晶粒尺寸的损伤容限，准确模拟出待预测微观结构的力学性能。

本发明的考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法的主要理论基础和假设有：(1)采用热驱动流动准则滑移变形机制；(2)多尺度滑移阻力模型是通过两组霍尔佩奇方程来考虑不同尺度下的晶粒尺寸效应；(3)修正的背应力模型是通过考虑异质结构中粗晶和细晶的强度差来考虑由于大的应变梯度引起的背应力强化效应；(4)微观结构的各项异性实现方法是通过将每个晶粒赋予随机取向或者根据EBSD试验方法得到的实际取向，并且每个晶粒赋予对应其晶粒结构类型的滑移系及特征参数；(5)采用增量加载模式，每一加载步为小变形加载，即认为应力-应变关系为瞬时线弹性。

为了实现上述目的，本发明公开了一种考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，包括步骤：

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；

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；

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；

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。

进一步地，所述S1步骤包括：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：