具有优良成形性、机械性能的粒子基/金属基复合材料可被广泛应用于汽车、建筑、航空等领域，由于其优异的加工硬化和延展性，有关其微观结构的研究和调整也成为了该领域的研究热点之一。来自弗莱贝格工业大学的 Ulrich Prahl 教授团队在 Crystals 期刊发表的文章，(Representative Volume Element, RVE)，模拟了 X8CrMnNi16-6-6 TRIP 钢基体和 10% 氧化锆颗粒复合材料的周期性二维几何结构，同时构建了晶体塑性的物理模型以研究材料的全局和局部变形和损伤行为，最终阐述了该材料的微观力学变形和损伤机制。

　　本研究采用了基于位错密度的晶体塑性模型，该模型同时包含了转化诱导塑性 (TRIP) 和孪晶诱导塑性 (Twinning-induced Plasticity, TWIP)。力学孪晶和相变的贡献如式 1：

　　其中，fβ 为孪晶体积分数；fχ 为相变马氏体体积分数；m 和 n 向量代表方向/平面法向，以 γ˙ 的速率发生剪切。研究还针对奥氏体相引入了一个简单的延性损伤模型，各向同性的塑性损伤模型以材料点的累计塑性滑移量为基础，由此得到材料的局部损伤 φ1 (式 2)：

　　损伤相场值 φ1=0 表示完全退化的材料刚度，φ1=1 表示完全相干的材料刚度；此外，本研究中的 TRIP 钢基体的奥氏体相临界塑性应变值 ϵcrit=0.75。

　　氧化锆颗粒采用简单的脆性损伤模型，损伤演化的控制方程如式 3，其中 μ 为损伤迁移率，φl 为局部损伤，φnl 为非局部损伤。

　　局部损伤方程如式 4，其中 We 为弹性应变能，Wcr 是损伤开始成核的临界应变能。

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　　本研究的模拟在耦合的晶体塑性和相场损伤模型的 DAMASK 软件上进行，并基于快速傅里叶变换 (Fast Fourier Transformation, FFT) 的光谱求解器用于求解力学边值问题，以预测应变和损伤在每个阶段的演变。

　　作者对氧化锆颗粒、TRIP 钢基体和复合材料的应力、应变和损伤行为进行了模拟研究 (图 2)。

　　图 2.(a) 各材料的应变-应力演变；(b) 氧化锆、TRIP 钢基体相对于复合材料的归一化应变-应力演变。

　　图 3 所示为在 9.6%、13.3% 和 16.2% 应变相分布图上的局部损伤演化结果。当应变为 9.6%，颗粒最薄弱环节发生脆性损伤，而颗粒-基体界面处发生韧性损伤 (图 3a)；局部损伤的起始和演化过程如图 3a 所示；随着应变进一步增大达到 13.3%，如图 3b 所示，氧化锆颗粒演化出更多的脆性损伤 (图 3b)；整体应变为 16.2% 时，大部分氧化锆颗粒出现裂纹，开始出现空洞聚结，损伤进程加快 (图 3c)。

　　图 4 显示了在高度联锁和相对自由区域，材料局部应力、应变、变形和位错密度的曲线图。研究结果表明：根据晶粒的取向，每个晶粒的属性大小是不同的，而晶粒的应变分布与位错密度相对应，即 (i) 的局部应力、应变、位错密度和相变马氏体体积百分比显著低于 (ii)。

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　　图 4.在 (i) 相对自由区和 (ii) 高度联锁区的材料跨晶界局部属性线分布。

　　本文介绍了 RVE 的构建和带有模型参数的数值模拟方法，研究通过将 RVE 加载在准静态单轴拉伸载荷下，分析了 TRIP 钢基体/Mg-PSZ 颗粒复合材料的局部损伤的微观力学演化过程。实验通过构建结合基体韧性损伤和陶瓷颗粒脆性损伤的晶体塑性物理模型，模拟研究了材料的整体、局部变形和损伤行为。研究结果表明：不同阶段的损伤开始于不同的整体应变状态；复合材料的属性与颗粒材料的组分有显著关联；复合材料中的晶粒由于其位置、取向和相邻晶粒，决定了材料不同的变形行为。此外，作者还研究了不同应力条件下损伤的演变特征。研究结果对于合成高强度、高成形性的粒子基/金属基复合材料具有重要参考价值。开云体育 开云平台开云体育 开云平台