Rezwan A A, Aragon N K, de Oca Zapiain D M, et al. Coupled phase field damage and crystal plasticity analysis of intragranular fracture: The role of crystallographic orientation and voids[J]. International Journal of Plasticity, 2025: 104372.
Rezwan, Aashique A., et al. "Coupled phase field damage and crystal plasticity analysis of intragranular fracture: The role of crystallographic orientation and voids." International Journal of Plasticity (2025): 104372.
Rezwan, A. A., Aragon, N. K., de Oca Zapiain, D. M., & Lim, H. (2025). Coupled phase field damage and crystal plasticity analysis of intragranular fracture: The role of crystallographic orientation and voids. International Journal of Plasticity, 104372.
背景简介
合金在晶粒尺度上的损伤演化表现出显著的微观结构异质性和各向异性。晶体取向会影响孔洞周围的滑移系激活方式，进而影响晶格旋转，并可能形成不连续性。在低应力三轴度下，孔洞可能因应力较低而旋转、伸长和聚合；而在高应力三轴度下，晶体取向和孔洞生长速率之间的相关性变强，类似于在孤立单晶中观察到的行为。现有研究多聚焦于孔洞的生长行为、形状和空间分布对材料断裂行为，以及晶体塑性对应变硬化和损伤演化的影响。然而，大多数现有损伤和断裂模型未能充分考虑单晶尺度的各向异性和弹塑性，常忽略局部微观结构特征的影响。
本研究在有限元框架内开发了一个耦合相场损伤（PFD）和晶体塑性（CP）模型，以分析晶体变形和失效行为。该模型采用基于位错密度的本构模型来描述晶体塑性变形，同时利用各向异性PFD方法模拟晶粒内部的失效过程。通过选取含有球形孔洞的单晶Al2219合金作为研究对象，发现晶体取向与断裂扩展之间存在强烈的关联性。该模型整合了晶体取向和已有孔洞的影响，为晶体材料的失效预测提供了一种精确方法，揭示了局部微观结构和缺陷影响金属合金的塑性变形和失效机制。
成果介绍
（1）图1(a)显示了沿着加载方向的总应力与区域上的平均应变的关系，应力线性增加到屈服点随后发生塑性变形导致断裂，[111]取向比其他取向更早断裂。图1(b)展示了三维的断裂表面，[001]和[101]方向上损伤表面相似，对于所有的拉伸方向，断裂发生在垂直于拉伸方向的平面上，但每个方向都会出现不同的模式。[101]取向在垂直于拉伸方向的平面上观察到对角断裂萌生，[001]和[111]取向在同一平面上呈现圆形的断裂萌生。
[001]和[111]具有四重和三重对称性，而[101]具有二重对称性。FCC金属的固有性质促进沿着[111]面的高位错活动，影响孔洞的生长和断裂模式。这是因为孔洞倾向于在位错活动最高的平面内各向同性地扩展，最终导致裂纹形成圆形断裂路径。对于[001]取向，断裂路径也是圆形的，这是由于FCC晶格中[001]方向的对称性质允许在垂直于拉力的所有方向上均匀的位错运动和孔洞扩展。[101]取向呈现出对角线断裂起始模式，在[101]方向上，沿着特定对角线平面的分解剪切应力和位错活动较高，这种各向异性导致孔洞优先沿着这些对角线方向扩展。[149]是一般的情况，其中存在一个最活跃的滑移系统，导致沿着这些方向的优先孔洞扩展和聚结。
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图1 (a)等容加载下含初始孔洞的四个取向单晶模拟的应力-应变曲线; (b)四个不同取向的破坏路径（灰色代表损伤表面，拉伸载荷沿着Z轴方向）
（2）单轴加载沿加载方向产生的初始总应力更高，与等容加载相比，断裂起始时间更早（见图2）。[111]取向更早开始断裂，[001]取向则在更高的应变率下发生断裂。单轴加载下，断裂路径表现出比等容加载更明显的塑性行为和穿晶模式。所有断裂起始路径在此情况下均为圆形，[001]和[101]取向之间的差异很小。[111]取向显示出平面外断裂扩展以及与加载方向垂直的圆形断裂路径。单轴加载下观察到的取向依赖性断裂行为与铝面心立方晶格的晶体学性质和滑移系统相一致，其中[111]取向因位错活动强烈而表现出最显著的影响。
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图2 (a)单轴加载下含初始孔洞的四个取向单晶模拟的应力-应变曲线; (b)四个不同取向的破坏路径
（3）不同的断裂行为受晶体取向和施加载荷类型的影响如图3所示。对于[001]取向，断裂在垂直于加载方向的平面内从初始孔洞向所有方向传播。三轴应力状态促进了孔洞的均匀增长，导致各向同性的断裂模式。在[101]方向上各向异性行为是由于沿着特定的对角平面分解的剪切应力较高，促进孔洞沿这些方向生长和发生断裂。等容加载的三轴应力状态在多个方向上同等地促进断裂，导致脆性断裂形貌，具有韧窝特征较少和潜在的类解理特征。在单轴加载条件下，断裂路径表现出更多的韧性行为和穿晶模式，应力集中和方向性导致更高的应力强度在孔洞和早期断裂处产生。对于[001]取向，断裂继续在垂直于加载方向的断裂面内扩展。[001]方向的对称性质允许均匀的位错运动和孔洞扩展，导致圆形断裂路径。
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（4）图4展示了将相场方法与晶体塑性耦合模拟的断裂起始应变，断裂起始应变定义为当相场参数达到阈值（0.65）时，表明模拟域内单元已完全损伤。结果表明，取向更接近[111]方向的晶粒更容易早期断裂，这一行为可归因于面心立方中[111]面的高原子密度和沿着择优滑移系的位错运动，这些密集堆积的平面促进塑性变形并加速孔洞成核和生长，导致更早的断裂开始。
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图4 (a)断裂起始应变; (b)断裂扩展速率
致谢
这项工作得到了桑迪亚国家技术和工程解决方案有限责任公司的资助，由美国能源部国家核安全管理局资助（DE-NA0003525）。本文第一作者和通讯作者：Aashique A. Rezwan（Sandia National Laboratories）。
本期小编 唐 瑞（整理）
周子尧（校对）
舒 阳 （审核）
董乃健（发布）
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