金屬塑性變形多尺度模擬

目錄
前言
第1章　金屬中的位錯(cuò)、層錯(cuò)與孿晶　1
1.1　理想金屬晶體結(jié)構(gòu)理論基礎(chǔ)　1
.1.1　金屬晶體的正空間及原胞　1
1.1.2　三種常用金屬晶體的基本結(jié)構(gòu)　23
1.2　位錯(cuò)　26
1.2.1　位錯(cuò)的基本概念　26
1.2.2　位錯(cuò)的幾何描述　27
1.2.3　刃型位錯(cuò)　30
1.2.4　螺型位錯(cuò)　31
1.2.5　混合位錯(cuò)　32
1.2.6　位錯(cuò)密度　34
1.3　層錯(cuò)　34
1.3.1　密堆金屬晶體結(jié)構(gòu)中的堆垛層次　34
1.3.2　面心立方晶體中的層錯(cuò)　37
1.3.3　密排六方晶體中的層錯(cuò)　39
1.3.4　體心立方晶體中的層錯(cuò)　41
1.4　孿晶　44
1.4.1　孿晶的基本定義　44
1.4.2　孿晶的基本要素　45
1.4.3　孿晶的基本類型　45
1.5　位錯(cuò)與層錯(cuò)的關(guān)系　45
1.5.1　不全位錯(cuò)　45
1.5.2　位錯(cuò)反應(yīng)　47
1.5.3　擴(kuò)展位錯(cuò)　49
1.5.4　壓桿位錯(cuò)　51
1.6　層錯(cuò)與孿晶的關(guān)系　52
1.6.1　面心立方金屬中的層錯(cuò)與孿晶　52
1.6.2　體心立方金屬中的層錯(cuò)與孿晶　53
第2章　金屬塑性變形的物理本質(zhì)　56
2.1　位錯(cuò)滑移機(jī)制　56
2.1.1　位錯(cuò)滑移的晶體學(xué)描述　56
2.1.2　位錯(cuò)滑移的力學(xué)條件　61
2.1.3　位錯(cuò)滑移誘發(fā)塑性應(yīng)變　63
2.1.4　交滑移　64
2.1.5　多滑移　65
2.1.6　位錯(cuò)的交割　67
2.2　位錯(cuò)攀移機(jī)制　71
2.3　不全位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)　73
2.4　變形孿生機(jī)制　75
2.4.1　變形孿生的剪切變形　76
2.4.2　變形孿生的位錯(cuò)基礎(chǔ)　79
2.4.3　變形孿生的物理機(jī)制　81
2.4.4　變形孿生力學(xué)條件　84
參考文獻(xiàn)　84
第3章　金屬多晶體的塑性變形　86
3.1　晶界的幾何描述　86
3.1.1　晶界的定義及其自由度　86
3.1.2　基于幾何描述的晶界分類　87
3.1.3　重合位置點(diǎn)陣　88
3.1.4　O點(diǎn)陣　89
3.1.5　完整位移變換點(diǎn)陣　90
3.2　晶界的基本結(jié)構(gòu)　91
3.2.1　基于本征位錯(cuò)的晶界結(jié)構(gòu)　91
3.2.2　基于原子結(jié)構(gòu)的晶界結(jié)構(gòu)　92
3.3　晶界的晶體缺陷　95
3.3.1　點(diǎn)缺陷　95
3.3.2　線缺陷　97
3.3.3　體缺陷　98
3.4　塑性變形過程中的晶界　99
3.4.1　變形不協(xié)調(diào)性　99
3.4.2　晶界滑動(dòng)　103
3.4.3　晶界遷移　106
3.5　變形織構(gòu)　109
3.5.1　變形織構(gòu)的基本定義　109
3.5.2　變形織構(gòu)的基本分類　110
3.5.3　變形織構(gòu)的統(tǒng)計(jì)描述　112
參考文獻(xiàn)　127
第4章　金屬塑性變形宏觀本構(gòu)行為　129
4.1　應(yīng)力張量理論基礎(chǔ)　129
4.1.1　Cauchy應(yīng)力張量　129
4.1.2　Cauchy應(yīng)力張量的客觀性　134
4.2　應(yīng)變張量理論基礎(chǔ)　138
4.2.1　應(yīng)變張量的基本描述　138
4.2.2　應(yīng)變張量的不變量　139
4.2.3　應(yīng)變球張量和應(yīng)變偏張量　139
4.2.4　等效應(yīng)變　140
4.2.5　應(yīng)變?cè)隽繌埩俊?40
4.2.6　應(yīng)變速率張量　141
4.3　塑性屈服準(zhǔn)則　141
4.3.1　理想剛塑性材料屈服準(zhǔn)則　142
4.3.2　各向同性硬化屈服準(zhǔn)則　144
4.3.3　隨動(dòng)硬化屈服準(zhǔn)則　144
4.4　塑性流動(dòng)基本假設(shè)　145
4.5　一致性條件　146
4.6　彈性本構(gòu)行為　148
4.6.1　彈性本構(gòu)行為的一般描述　148
4.6.2　各向異性材料的本構(gòu)關(guān)系　150
4.6.3　各向同性材料的本構(gòu)關(guān)系　152
4.7　塑性本構(gòu)行為　153
4.7.1　理想剛塑性材料本構(gòu)行為　153
4.7.2　各向同性硬化材料的本構(gòu)行為　153
4.7.3　隨動(dòng)硬化材料的本構(gòu)行為　156
4.7.4　混合硬化材料的本構(gòu)行為　159
4.8　黏塑性材料的本構(gòu)行為　161
4.9　彈塑性材料的本構(gòu)行為　165
參考文獻(xiàn)　165
第5章　金屬塑性變形宏觀有限元模擬　167
5.1　剛塑性/剛黏塑性有限元基本原理　167
5.1.1　力學(xué)基本原理　167
5.1.2　有限元變分原理　168
5.1.3　有限元法的求解步驟　169
5.2　剛塑性/剛黏塑性有限元關(guān)鍵問題處理　174
5.2.1　收斂準(zhǔn)則的判斷　174
5.2.2　非線性方程組的解法　174
5.2.3　剛性區(qū)的處理　175
5.2.4　摩擦邊界條件的處理　176
5.2.5　網(wǎng)格的重新劃分　176
5.3　金屬塑性成形宏觀有限元模擬案例　177
5.3.1　帶縱向內(nèi)筋筒形件反向滾珠旋壓成形剛塑性有限元模擬　177
5.3.2　飛機(jī)環(huán)形座套鍛件等溫精密成形剛黏塑性有限元模擬　185
5.3.3　飛機(jī)環(huán)形座鍛件等溫精密成形剛黏塑性有限元模擬　191
參考文獻(xiàn)　198
第6章　金屬塑性變形晶體塑性有限元模擬　200
6.1　變形理論基礎(chǔ)　200
6.1.1　變形梯度與應(yīng)變度量　200
6.1.2　變形梯度的極分解　206
6.1.3　速度梯度　209
6.1.4　彈塑性變形耦合　213
6.1.5　彈塑性變形的速度梯度和變形速率　215
6.1.6　變形梯度、速度梯度和變形速率張量的客觀性　216
6.2　幾個(gè)重要的應(yīng)力張量　217
6.2.1　第一Piola-Kirchhoff應(yīng)力張量　217
6.2.2　第二Piola-Kirchhoff應(yīng)力張量　218
6.2.3　Kirchhoff應(yīng)力張量　218
6.3　客觀應(yīng)力率　218
6.3.1　客觀應(yīng)力率的基本定義　218
6.3.2　Jaumann應(yīng)力率　218
6.4　晶體塑性本構(gòu)模型　221
6.4.1　基于唯象理論本構(gòu)模型　221
6.4.2　基于位錯(cuò)密度本構(gòu)模型　224
6.4.3　基于變形孿生的本構(gòu)模型　228
6.5　晶體塑性有限元均勻化問題　230
6.5.1　晶體織構(gòu)的統(tǒng)計(jì)學(xué)描述　232
6.5.2　計(jì)算均勻化法　234
6.5.3　平均場(chǎng)均勻化法　235
6.5.4　晶粒團(tuán)簇法　235
6.6　晶體塑性有限元模擬應(yīng)用案例　242
6.6.1　鎳鈦形狀記憶合金單向壓縮晶體塑性有限元模擬　242
6.6.2　鎳鈦形狀記憶合金包套壓縮晶體塑性有限元模擬　251
6.6.3　其他晶體塑性有限元模擬案例概述　259
參考文獻(xiàn)　263
第7章　金屬塑性變形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶元胞自動(dòng)機(jī)模擬　266
7.1　金屬塑性變形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶理論基礎(chǔ)　266
7.1.1　動(dòng)態(tài)再結(jié)晶基本定義與分類　266
7.1.2　動(dòng)態(tài)再結(jié)晶基本特征　267
7.1.3　動(dòng)態(tài)再結(jié)晶基本機(jī)制　270
7.2　元胞自動(dòng)機(jī)模擬理論基礎(chǔ)　271
7.2.1　元胞自動(dòng)機(jī)的基本思想　271
7.2.2　元胞自動(dòng)機(jī)模擬系統(tǒng)的基本組成　273
7.2.3　元胞自動(dòng)機(jī)的基本特征　278
7.3　動(dòng)態(tài)再結(jié)晶元胞自動(dòng)機(jī)模擬的物理基礎(chǔ)　278
7.3.1　位錯(cuò)密度演變模型　278
7.3.2　形核率模型　280
7.3.3　晶粒長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)模型　281
7.4　動(dòng)態(tài)再結(jié)晶元胞自動(dòng)機(jī)模擬應(yīng)用案例　282
7.4.1　元胞自動(dòng)機(jī)模擬參數(shù)的確定　282
7.4.2　元胞自動(dòng)機(jī)模型的建立　284
7.4.3　動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織演變模擬　287
7.4.4　動(dòng)態(tài)再結(jié)晶位錯(cuò)密度演變模擬　288
7.4.5　流動(dòng)應(yīng)力的預(yù)測(cè)　292
7.4.6　動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸的預(yù)測(cè)　292
參考文獻(xiàn)　295
第8章　金屬塑性變形離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模擬　297
8.1　位錯(cuò)的起源與增殖　297
8.1.1　位錯(cuò)起源　297
8.1.2　位錯(cuò)增殖　300
8.2　位錯(cuò)力學(xué)理論基礎(chǔ)　304
8.2.1　位錯(cuò)應(yīng)力場(chǎng)　304
8.2.2　Peierls-Nabarro力　310
8.2.3　作用在位錯(cuò)上的力　313
8.2.4　位錯(cuò)線張力　316
8.2.5　位錯(cuò)之間的作用力　317
8.2.6　鏡像力　321
8.3　離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)方法　323
8.3.1　位錯(cuò)線的離散化　324
8.3.2　力的計(jì)算　327
8.3.3　位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)定律與時(shí)間積分　329
8.3.4　位錯(cuò)接觸與位錯(cuò)反應(yīng)　331
8.3.5　位錯(cuò)交滑移發(fā)生的概率　336
8.3.6　邊界條件　336
8.4　離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模擬應(yīng)用案例簡(jiǎn)述　338
參考文獻(xiàn)　342
第9章　金屬塑性變形分子動(dòng)力學(xué)模擬　345
9.1　金屬塑性變形分子動(dòng)力學(xué)模擬理論基礎(chǔ)　345
9.1.1　基本原理　345
9.1.2　運(yùn)動(dòng)方程　345
9.1.3　運(yùn)動(dòng)方程求解方法　346
9.1.4　力場(chǎng)　350
9.1.5　系綜　352
9.1.6　邊界條件　355
9.1.7　晶體結(jié)構(gòu)與缺陷分析方法　357
9.2　金屬塑性變形分子動(dòng)力學(xué)模擬過程　360
9.3　金屬塑性變形分子動(dòng)力學(xué)模擬應(yīng)用案例　361
9.3.1　孿晶界處孔隙擴(kuò)展的分子動(dòng)力學(xué)模擬　361
9.3.2　孔隙擴(kuò)展與合并的分子動(dòng)力學(xué)模擬　367
9.3.3　孔隙收縮的分子動(dòng)力學(xué)模擬　375
9.3.4　織構(gòu)材料塑性各向異性的分子動(dòng)力學(xué)模擬　380
參考文獻(xiàn)　386
第10章　金屬塑性變形第一性原理模擬　388
10.1　金屬電子結(jié)構(gòu)理論基礎(chǔ)　388
10.1.1　金屬原子的基本結(jié)構(gòu)　388
10.1.2　金屬電子的波粒二象性　388
10.1.3　金屬電子的量子態(tài)　389
10.1.4　金屬電子的波函數(shù)　392
10.1.5　金屬自由電子的SchrMinger方程　393
10.1.6　金屬晶體的倒易空間　394
10.1.7　布里淵區(qū)　395
10.1.8　金屬電子的態(tài)密度　400
10.1.9　金屬電子的能帶　402
10.2　第一性原理模擬理論基礎(chǔ)　403
10.2.1　金屬多粒子體系的SchrMinger方程　403
10.2.2　Born-Oppenheimer近似　404
10.2.3　Hartree-Fock方程　405
10.2.4　Hohenberg-Kohn定理　407
10.2.5　Khon-Sham方程　409
10.2.6　交換關(guān)聯(lián)泛函　412
10.3　Khon-Sham方程的求解方法　412
10.3.1　平面波展開及截?cái)嗄堋?12
10.3.2　贗勢(shì)平面波法　413
10.3.3　綴加平面波法　416
10.3.4　線性綴加平面波法　417
10.3.5　投影綴加平面波法　418
10.4　金屬塑性變形第一性原理模