JMPS: 位错移动的多尺度晶体塑性模拟

位错深刻影响着晶体材料的塑性变形，进而决定了材料的机械性能。金属增材制造（AM）过程中的复杂热历史、巨大的温度梯度和高冷却速率可以在材料中诱导形成具有高位错密度的独特位错结构。这种独特的位错网络被证明是增材制造金属材料具有优异力学性能的重要原因，然而它的成因、演变以及与增材制造工艺参数的关系仍存在争议，并且很难通过实验手段在增材制造过程中进行观测。

为了研究位错结构在增材制造过程中的形成和演变，新加坡国立大学机械系的闫文韬教授团队开发了一个全面的多尺度建模框架，基于已开发的热流体模型-相场晶粒生长模型-晶体塑性有限元模型，通过将连续位错动力学（CDD）理论耦合到热-机械的晶体塑性有限元模型中，研究了增材制造过程中晶粒内的位错结构的形成和演变。这种方法将位错密度分解以计算界面通量，并且能够描述高度不连续的位错密度场。结合增材制造过程中的热应力和温度历史，模拟了晶粒的位错演化，揭示了实验中很难观察到的位错结构的形成和稳定性机理。

本文作者运用所开发的计算框架从模拟的角度揭示了增材制造过程中位错结构的形成和演变：首先通过增材制造的热-流体仿真获得温度场，然后通过晶粒生长和热-机械晶体塑性有限元方法分别获得晶粒结构和晶粒间的应力应变状态，再将应力和温度历史加载到不同位置、不同特征的代表性晶粒的滑移面模型上，即可观察到在增材制造过程中位错结构在滑移面上的形成和演变。此方法预测的位错密度变化范围和结构尺寸经由实验文献结果进行了对比与评估。基于这个仿真框架，作者还对增材结构常温加载下位错结构的稳定性、位错湮灭机制的影响以及多层打印过程中循环热应力对位错的影响进行了研究和讨论。该位错运动模型的有效性也在文中通过多个示例进行了验证。

该研究的主要贡献在于呈现了增材制造的材料中位错动力学的特征和机制：（1）通过滑移面模型可以观察到位错结构在增材制造过程中的热应力场和温度场的共同作用下的形成和演变；（2）揭示了增材制造过程中位错结构在一定温度和变形范围内的稳定性。（3）考虑位错湮灭机制更容易形成高/低位错密度分布的区域，并且对循环热加载中的位错密度影响很大。（4）后续机械加载下位错结构趋于先保持其形态，但是在持续加载下会再次演变以进行塑性形变。

本研究提出了一种计算仿真方法来模拟增材制造材料中的位错动力学，为了解增材制造金属材料中独特位错结构的起源和演变提供了新的见解，推进了理解增材制造中位错机制以及指导位错结构调控的进展。该研究成果近期以“Dislocation structures formation induced by thermal stress in additive manufacturing: multiscale crystal plasticity modeling of dislocation transport”为题发表在固体力学领域权威期刊 Journal of the Mechanics and Physics of Solids 上。新加坡国立大学机械系闫文韬教授为论文通讯作者，其博士研究生胡代钧为论文第一作者，英国布里斯托大学的Dr. Nicolò Grilli为合作作者指导该成果中的部分理论工作。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.jmps.2023.105235

转自：“知社学术圈”微信公众号

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