一种基于EBSD数据的晶体塑性有限元建模方法与应用

本发明属于数值模拟领域，具体涉及一种基于ebsd数据的晶体塑性有限元建模方法与应用。

背景技术：

1、晶体塑性理论已成为晶体材料塑性变形建模的基础。在许多多晶材料变形建模工具中，最具应用性和发展前景的工具是将晶体塑性理论和全场力学方法结合起来，即晶体塑性有限元(crystal plasticity finite element,cpfe)。cpfe的长处在于能够处理复杂边界条件下晶体塑性力学问题，并输出空间分辨的晶粒的力学响应和应变演化。

2、为了平衡中央处理器(cpu)计算时间与模型尺寸之间的关系，人们为cpfe方法在大规模晶粒变形计算中的应用制定了均匀化方案。在这种情况下，需要在几何模型网格中正确表示材料的晶体织构。传统上，采用晶粒数最少的代表性体积单元(representativevolume element,rve)模型来反映宏观样品的力学行为。一些学者提出了基于多尺度渐近展开的晶体均匀化算法，建立了满足晶体取向分布周期性条件的多晶rve模型，如图1所示，并通过分析和统计检验验证了rve模型的准确性。但是，这种rve模型并不能准确反映晶粒取向、结构、晶界形态等，难以将一系列与取向相关以及由晶体结构决定的力学要素结合在一起，从而在处理许多晶粒和亚晶粒尺度的材料问题时存在很大局限性。因此，开发新型cpfe模型建模方法，以更准确地计算晶粒尺度内材料塑性变形就显得尤为必要。

3、为此，申刚发明了“一种基于金相图片的材料微结构几何模型建立方法”专利，詹肇麟、卫书超、张帆、史东进发明了“一种基于真实金相图结构的晶粒有限元模型建模方法”专利。他们对金相图片进行处理得到晶粒灰度二值图像，然后进行连通区识别，获得图像中所有的独立性区域，进行连通区域像素量的排序，以面积最大的连通区为目标连通区，可得到晶粒晶界位置与形状图，最后将晶粒形状图导入abaqus中建立有限元模型。他们的发明可以让有限元模型包含材料的近乎真实的晶粒形态，是cpfe模型建模的巨大进步。但是他们的发明也存在一些缺点：一是将金相图片处理为晶粒灰度二值图像并进行一系列的图像处理，既会导致图像失真又过程繁琐，提取的晶粒形态与真实晶粒形态具有一定的差异；二是他们的模型只能包含晶粒形态、尺寸等，却无法包含晶粒取向，而晶粒取向往往可以决定塑性变形。在人们对cpfe模型的准确性精益求精的今天，他们的发明存在相当大的局限性。

4、20世纪90年代以来，装配在扫描电子显微镜(scanning electron microscope,sem)上的电子背散射衍射(electron back scatter diffraction,ebsd)分析技术取得了较大的发展，并已在材料微观组织结构及微织构表征中广泛应用。该技术也被称为电子背散射花样(electron back-scattering patterns,ebsp)或取向成像显微技术(orientation imaging microscopy,oim)。ebsd的主要特点是在保留sem的常规特点的同时进行空间分辨率亚微米级的衍射(给出结晶学的数据)。目前，ebsd技术已经能够实现全自动采集微区取向信息、样品制备较简单、数据采集速度快、分辨率高，为快速高效的定量统计研究材料的微观组织结构和织构奠定了基础，因此已成为材料研究的一种有效分析手段。因为，ebsd的检测数据包含晶粒结构和取向，因此基于ebsd数据建立有限元模型具有可行性。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的之一在于提供一种基于ebsd数据的晶体塑性有限元建模方法。

2、本发明的目的之二是提供了所述建模方法的应用方法，尤其是应用在研究合金塑性变形领域中。

3、本发明是通过以下技术方案来实现的：

4、一种cpfe模型建模方法，其特征在于：基于ebsd数据建立有限元模型，且模型包含材料真实晶粒形态、尺寸、位置及取向。

5、进一步地，所述ebsd数据的获取方法为：通过装配在sem腔室的ebsd探头检测材料取向分布，将数据导出为oip数据文件；

6、进一步地，本发明结合inconel 718合金的ebsd数据详细介绍所述建模方法的具体步骤：

7、(1)通过应用channel 5软件平台对包含ebsd数据的oip数据文件进行处理，将检测区域的晶粒取向分布导出为cpr和crc数据文件，cpr和crc数据文件包含材料晶粒形态、尺寸、位置及取向，其图像示意如图2(a)所示；

8、(2)在matlab中运行mtex插件，并导入cpr文件，此时crc数据文件必须和cpr文件在同一文件夹；

9、(3)在mtex中将取向差10°定义为晶界，可以直接导出晶界轮廓数据，其图像示意如图2(b)所示；

10、(4)将提取的晶界轮廓数据导入abaqus中建立二维有限元模型；

11、(5)将二维有限元模型沿厚度方向拉伸一定距离，建成三维有限元模型；

12、(6)在mtex中导出晶粒取向数据，并以欧拉角(euler angle)数据保存，其示意图为图2(c)；

13、(7)将提取的晶粒取向以欧拉角的形式分别赋予有限元模型中对应的晶粒；

14、(8)对模型中各晶粒进行着色以区分材料属性，如图2(d)所示。

15、因为实验设备不可能完全监测到材料微观变形，因此需要采用数值模拟的方法模拟材料变形及其机制。晶体塑性有限元经过几十年的发展，已经证明了其在研究材料塑性变形及损伤方面的重要价值，但其受制于有限元模型与材料实际微观结构的差异而在准确性方面存在局限性。本发明基于ebsd数据采用材料实际微观结构建立有限元模型，可以完美的将真实材料的晶粒形态、尺寸、位置及取向等特征融入模型中，大幅提高了晶体塑性有限元模拟材料变形的准确性。本发明在晶体塑性有限元发展史上具有里程碑的意义。可以预期，本发明在预测材料服役过程中的织构演化、损伤劣化的位置和评估材料服役寿命等方面具有巨大潜力。

16、本发明中的建模方法可以用于晶体材料的建模以研究其塑性变形行为，当然，用于金属的建模时效果最好。

技术特征：

1.一种基于ebsd数据的晶体塑性有限元建模方法，其特征在于：

2.应用如权利要求1的方法所建的模用以研究晶体塑性变形行为。

技术总结本发明公开了一种基于EBSD数据的晶体塑性有限元模型建模方法与应用。本发明包括以下步骤：使用Channel 5平台分析标距段兴趣区域的EBSD数据；在MTEX中处理EBSD数据，将取向差10°定义为晶界，并导出晶界轮廓数据；把晶界轮廓数据导入ABAQUS中建立三维几何模型；同时，将实际晶粒的取向以欧拉角的形式赋予模型中对应的晶粒。本发明所建有限元模型包含材料真实晶粒形态、尺寸、位置及取向，大大提高了晶体塑性有限元模拟的准确性。本发明在材料研究中具有广泛的应用前景。技术研发人员：吕俊霞,陈居田受保护的技术使用者：北京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29