基于晶体塑性理论的晶界压痕行为研究

doi:10.11900/0412.1961.2014.00335

金属学报

2015, Vol. 51

Issue (1): 100-106 DOI: 10.11900/0412.1961.2014.00335

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基于晶体塑性理论的晶界压痕行为研究

闫五柱^1,², 张嘉振^1,²(

), 周振功², 岳珠峰³

1 中国商用飞机有限责任公司北京民用飞机技术研究中心, 北京 102211
2 哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所, 哈尔滨 150080
3 西北工业大学工程力学系, 西安 710129

STUDY ON THE INDENTATION BEHAVIORS OF BICRYSTALS BASED ON CRYSTAL PLASTICITY THEORY

YAN Wuzhu^1,², ZHANG Jiazhen^1,²(

), ZHOU Zhengong², YUE Zhufeng³

1 Beijing Aeronautical Science and Technology Research Institute of COMAC, Beijing 102211
2 Center for Composite Materials and Structures, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080
3 Department of Engineering Mechanics, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710129

引用本文:

闫五柱, 张嘉振, 周振功, 岳珠峰. 基于晶体塑性理论的晶界压痕行为研究[J]. 金属学报, 2015, 51(1): 100-106.
Wuzhu YAN, Jiazhen ZHANG, Zhengong ZHOU, Zhufeng YUE. STUDY ON THE INDENTATION BEHAVIORS OF BICRYSTALS BASED ON CRYSTAL PLASTICITY THEORY[J]. Acta Metall Sin, 2015, 51(1): 100-106.

全文: PDF(2603 KB) HTML

摘要:

为了研究晶界的压痕行为, 采用晶体塑性理论对单晶和双晶的压痕行为进行了有限元模拟, 得到了压痕表面和晶界位置处的应力分布. 结果表明, 相邻晶粒的晶体取向对压痕深度-载荷响应以及分解切应力分布均有较显著的影响. 压载荷作用下, 晶界位置处存在应力集中, 且晶体取向差异越大, 晶界应力越大.

关键词 ：压痕, 晶体塑性, 单晶, 双晶, 晶界, 有限元

Abstract：

In the past decades, the indentation test has been widely used to determine the mechanical properties of materials. For the micro- or nano- indentation, the indentation response is complex since only one or two grains can be indented by the indenter. In order to investigate the indentation behavior of the grain boundary, the crystal plasticity theory was implemented into finite element model to simulate the indentation behavior of single crystals and bicrystals. The stress distributions on the indented surface and grain boundary were obtained. The results showed that the crystallographic orientations of the neighboring grains had a remarkable influence on the depth-load response and the resolved shear stress distribution of the indented bicrystals. Under the indentation load, stress concentration occurred at the grain boundary, and the stress at the grain boundary increases with the increase of mis-orientation angle of the two neighboring grains.

Key words： indentation crystal plasticity single crystal bicrystal grain boundary finite element

ZTFLH:

TG111.91

基金资助:* 国家自然科学基金项目资助51271067

作者简介: null

闫五柱, 男, 1985年生, 博士

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图1 压痕模型示意图

图2 模型有限元网格

表1 晶粒Euler角

图3 晶体取向对深度-载荷取向的影响

Mechanical parameter	Value	Unit
Poisson′s ratio n	0.33
Young′s modulus E	210	GPa
Shear modulus G	83	GPa
Strain rate sensitivity exponent m	0.02
Reference shear rate $γ ˙ 0 (α)$	0.03	s^-¹
Initial resolved shear stress t₀	500	MPa
Hardening law parameter h₀	600	MPa
Saturation resolved shear stress t_s	585	MPa
Hardening law parameter AA	1.3
Reference strain rate G_a₀	300	MPa

表2 镍基单晶高温合金DD3力学参数[23]

图4 单晶和双晶压痕深度-载荷曲线

图5 不同取向单晶压痕面上分解切应力分布

图6 不同取向双晶压痕面上分解切应力分布

图7 不同取向双晶平面x=0上的分解切应力分布

图8 不同取向双晶晶界(y=0)分解切应力分布

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