一种基于晶体塑性预测孪晶形核的方法及装置

本申请涉及材料分析，尤其涉及一种基于晶体塑性预测孪晶形核的方法及装置。

背景技术：

1、镁合金、锆合金以及α-钛等金属材料，因其独特的低对称密排六方结构，展现出显著的力学性能各向异性。这种低对称性导致了滑移系的有限性，特别是在室温下，<a>方向滑移系的临界分切应力远低于其他滑移系，成为主导材料变形的主要机制。然而，当涉及到特定方向的塑性变形时，高临界分切应力（critical resolved shear stress，crss）的滑移系与孪生机制之间的复杂竞争便凸显出来。这种竞争导致了材料塑性行为的多样性，包括塑性各向异性、拉压不对称性以及裂纹萌生等问题。由于孪晶的形成速度快，其形核位置受微观组织的影响显著。由于实验条件的限制，准确观测孪晶形核的过程极具挑战性。因此，寻找一种能够有效预测和模拟孪晶形核的方法成为了材料科学领域的研究热点。

2、晶体塑性模型作为一种能够描述晶粒内部微观组织演变及应力应变变化的工具，不仅提供了对位错和孪晶等微观机制的深入理解，还能够与宏观有限元方法相结合，从而实现对材料整体力学行为的模拟。近年来，将孪晶形核机制引入晶体塑性框架中，成为了揭示孪生机理和预测材料性能的重要途径。

3、然而，现有的孪晶形核预测方法主要依赖于分切应力与孪晶体积分数的共同判断。这种方法虽然能够在一定程度上反映织构演化和整体力学响应，但由于缺乏对孪晶形核物理机制的深入理解，因此无法准确预测孪晶的形核位置以及滑移与孪生之间的相互作用机制。因此，开发一种能够准确预测孪晶形核位置及其与滑移相互作用机制的新方法，对于深入理解低对称密排六方结构金属材料的塑性行为、优化材料性能以及推动新材料设计具有重要意义。

技术实现思路

1、本申请实施例通过提供一种基于晶体塑性预测孪晶形核的方法及装置，解决了现有技术无法准确预测孪晶的形核位置以及滑移与孪生之间的相互作用机制的问题。

2、为了实现上述目的，本发明实施例的技术方案是：

3、本发明实施例提供了一种基于晶体塑性预测孪晶形核的方法，包括：获取样本材料的第一晶体学信息，构建样本材料的第一晶体塑性几何模型；对样本材料进行准原位拉伸试验，观测并记录样本材料在准原位拉伸试验的加载过程中的微观结构变化；在观察到样本材料存在孪晶形核时，将孪晶形核时的加载条件作为边界条件施加给第一晶体塑性几何模型，获取第一晶体塑性几何模型对应的孪晶形核位置处的位错储存能密度值；将位错储存能密度值确定为孪晶形核的能量阈值，根据能量阈值对目标材料的孪晶形核进行预测。

4、在一些可能的实现方式中，在构建样本材料的第一晶体塑性几何模型之后，该方法还包括：根据样本材料的晶体学信息，构建样本材料的率相关晶体塑性本构方程；基于晶体塑性本构方程，确定样本材料在多种应变速率下对应的应力和应变之间的关系曲线；在多种应变速率下对样本材料进行单轴拉伸试验，确定在对应应变速率下样本材料的率相关性；根据样本材料的率相关性和对应的应力和应变之间的关系曲线，对晶体塑性本构方程的参数进行校准，获得校准后的晶体塑性本构方程；根据校准后的晶体塑性本构方程，对有限元几何模型进行重构。

5、在一些可能的实现方式中，晶体塑性本构方程包括晶体变形运动学方程、应力应变本构关系方程以及滑移系阻力演化方程。

6、在一些可能的实现方式中，孪晶形核时的加载条件至少包括孪晶形核时准原位拉伸试验的夹具的位移量。

7、在一些可能的实现方式中，第一晶体塑性几何模型对应的孪晶形核位置处的位错储存能密度值，通过校准后的晶体塑性本构方程确定。

8、在一些可能的实现方式中，根据能量阈值对目标材料的孪晶形核进行预测包括：获取目标材料的第二晶体学信息，构建目标材料的第二晶体塑性几何模型；在确定第二晶体塑性几何模型任意位置的位错储存能密度值满足能量阈值时，确定目标材料在对应位置存在孪晶形核。

9、第二方面，本发明实施例提供了一种基于晶体塑性预测孪晶形核的装置，包括：模型构建模块，用于获取样本材料的第一晶体学信息，构建样本材料的第一晶体塑性几何模型；准原位拉伸试验模块，用于对样本材料进行准原位拉伸试验，观测并记录样本材料在准原位拉伸试验的加载过程中的微观结构变化；获取模块，用于在观察到样本材料存在孪晶形核时，将孪晶形核时的加载条件作为边界条件施加给第一晶体塑性几何模型，获取第一晶体塑性几何模型对应的孪晶形核位置处的位错储存能密度值；预测模块，用于将位错储存能密度值确定为孪晶形核的能量阈值，根据能量阈值对目标材料的孪晶形核进行预测。

10、第三方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括：存储器，用于存储可执行指令；处理器，用于执行存储器中存储的可执行指令或者计算机程序时，实现如本发明第一方面提供的方法。

11、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，存储有可执行指令，用于引起处理器执行时，实现如本发明第一方面提供的方法。

12、本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

13、本发明中，通过准原位拉伸试验确定孪晶形核时刻加载条件，将该加载条件施加于相同微观组织的晶体塑性有限元模型，据此确定了孪晶形核所需的能量阈值，当材料内部任一位置能量达到该临界值时，孪晶将从此处产生。如此，通过位错储存能判据反映了孪晶形核所需的必要物理机制，基于此预测孪晶形核相比现有技术中采用临界分切应力等唯象方法更准确。

技术特征：

1.一种基于晶体塑性预测孪晶形核的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在构建所述样本材料的第一晶体塑性几何模型之后，所述方法还包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述晶体塑性本构方程包括晶体变形运动学方程、应力应变本构关系方程以及滑移系阻力演化方程。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述孪晶形核时的加载条件至少包括孪晶形核时所述准原位拉伸试验的夹具的位移量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一晶体塑性几何模型对应的孪晶形核位置处的位错储存能密度值，通过所述校准后的晶体塑性本构方程确定。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述能量阈值对目标材料的孪晶形核进行预测包括：

7.一种基于晶体塑性预测孪晶形核的装置，其特征在于，包括：

8.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

9.一种计算机可读存储介质，存储有可执行指令或者计算机程序，其特征在于，所述可执行指令被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述的方法。

技术总结本申请公开了一种基于晶体塑性预测孪晶形核的方法及装置，该方法包括：获取样本材料的第一晶体学信息，构建样本材料的第一晶体塑性几何模型；对样本材料进行准原位拉伸试验，观测并记录样本材料在准原位拉伸试验的加载过程中的微观结构变化；在观察到样本材料存在孪晶形核时，将孪晶形核时的加载条件作为边界条件施加给第一晶体塑性几何模型，获取第一晶体塑性几何模型对应的孪晶形核位置处的位错储存能密度值；将位错储存能密度值确定为孪晶形核的能量阈值，根据能量阈值对目标材料的孪晶形核进行预测。如此，通过位错储存能判据反映了孪晶形核所需的必要物理机制，基于此预测孪晶形核相比现有技术中采用临界分切应力等唯象方法更准确。技术研发人员：郑泽邦,辛海,詹梅,雷煜东,赵盼娣,王雨洋,宋晓悦受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11