本发明公开了一种α钛变形过程介观应力和织构的半定量预测及可视化方法，属于材料塑性变形技术领域。本发明解决了现有仿真手段或实验方法难以获取介观应力的难题，避免了介观应力的实验表征对设备的高要求以及高成本问题。本申请以代表体积元RVE为载体建立晶体塑性模型，将EBSD表征或XRD测量获得织构导入代表体积元RVE，代表体积元RVE由钛合金α相组成，包含了原始实验材料的织构信息，随后进行的晶体塑性仿真考虑了α钛合金的滑移和孪生变形行为，可以获得并可视化材料在多种外载荷作用下的介观应力、织构演化信息，对于研究α钛合金变形过程的介观应力演化以及介观应力诱发裂纹的萌生和扩展问题至关重要。
1.一种α钛变形过程介观应力和织构的半定量预测及可视化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1，基于α钛合金材料的微观结构，建立包含材料织构的代表体积元模型RVE；
步骤2，α钛合金材料在载荷作用下发生塑性变形，随后通过电子背散射衍射技术EBSD表征α钛合金材料的微观变形组织，确定α钛合金材料的介观变形行为，建立α钛合金材料在载荷形式下的晶体塑性模型，并初步确定晶体塑性材料参数；
步骤3，以α钛合金材料的宏观力学曲线和α钛合金材料织构演化结果为标的，用开源软件DAMASK谱方法对步骤2获得的晶体塑性模型进行多次试算，并修正晶体塑性材料参数；
步骤4，基于修正的模型及晶体塑性参数，用开源软件DAMASK谱方法计算获得α钛合金材料在载荷作用下介观应力和织构的半定量预测结果；
所述的步骤1中代表体积元模型RVE建立的具体方法为：
(1)将α钛合金材料通过XRD方法获得的织构数据通过python程序转换为格式1的文本数据；所述的织构数据包含欧拉角数据及相应的权重；
(2)修改格式1的文本数据的文件头和文件类型以适用于DAMASK公开的hybrid IA前处理程序，经处理后得到与代表体积元所含晶粒数量一致的织构数据；
(3)将步骤(2)获得的织构数据替换代表体积元RVE的原始织构数据，获得包含XRD测量织构的代表体积元RVE；
步骤5，采用python程序辅助开源软件MTEX对介观应力和织构的半定量预测结果进行可视化；
所述的步骤2建立α钛合金材料在特定加载形式下的晶体塑性模型的具体方法为：A、针对不同的变形温度水平，通过查询获得α钛合金材料的各向异性弹性材料参数；
B、对α钛合金材料的微观变形组织进行EBSD表征，确定材料活动滑移系、孪晶系的类型和数量；根据α钛合金材料的密排六方HCP相基面滑移系与柱面滑移系的比例关系，初步猜定晶体塑性模型相应的滑移系和孪晶系的临界分切应力CRSS；
其中， 为孪晶体积分数， 为滑移系统的初始剪切速率，τ为滑移系的分切应力，ξ为其临界值；
其中， 为孪晶体积分数， 为HEAVISIDE函数； 表示为：β
其中，γ为孪晶系的剪切量， 为孪晶系的特征剪切量；
其中，α是滑移系统的标志，β是孪生系统的标志；其中， 和 分别为滑移、孪生系统阻力的变化率，ξ∞是阻力的边界值， c1～c4是所需拟合的模型硬化参数。
2.根据权利要求1所述的一种α钛变形过程介观应力和织构的半定量预测及可视化方法，其特征在于，所述的步骤1中代表体积元模型RVE建立的具体方法为：将α钛合金材料多层的3D EBSD数据导入DREAM 3D软件，建立三维代表体积元RVE。
3.根据权利要求1所述的一种α钛变形过程介观应力和织构的半定量预测及可视化方法，其特征在于，所述的步骤1中代表体积元模型RVE建立的方法为：基于α钛合金材料的XRD或EBSD测量的织构，使用python程序辅助开源软件DAMASK前处理工具建立包含材料织构的代表体积元RVE。
4.根据权利要求1所述的一种α钛变形过程介观应力和织构的半定量预测及可视化方法，其特征在于，所述的步骤2中α钛合金材料的载荷形式包括单轴拉伸、单轴压缩、双轴拉伸、双轴压缩或简单剪切。
5.根据权利要求1所述的一种α钛变形过程介观应力和织构的半定量预测及可视化方法，其特征在于，所述的步骤3的具体修正方法为：根据步骤2获得的晶体塑性模型和相应的晶体塑性材料参数计算得到的宏观真应力‑真应变曲线和α钛合金材料受载荷作用前后的织构变化；根据实验测试得到的真应力‑真应变曲线的屈服点、流动及硬化行为，适当调整晶体塑性材料参数，使得包含材料织构的代表体积元模型RVE模型在发生变形后，其宏观真应力‑真应变曲线和织构演化结果与实验结果一致。
6.根据权利要求1所述的一种α钛变形过程介观应力和织构的半定量预测及可视化方法，其特征在于，所述的步骤4的具体操作过程为：使用开源软件DAMASK谱方法作为α钛合金材料在载荷作用下晶体塑性模型的求解器，根据载荷的形式修改DAMASK框架的载荷定义文件，计算结果半定量显示了合金材料在载荷作用下介观尺度上应力分布。
7.根据权利要求1所述的一种α钛变形过程介观应力和织构的半定量预测及可视化方法，其特征在于，所述的步骤5的具体操作过程为：a、通过开源软件DAMASK后处理工具postResults及addOrientation命令在计算结果的ASCII表中加入欧拉角数据；
b、通过python程序处理ASCII表获得每个像素的位置和对应的欧拉角数据的中间文件；
c、通过开源软件MTEX加载并处理上述中间文件，并通过处理代表性体积元RVE的位置和相应的欧拉角数据，将其以极图、反极图和取向分布函数图的形式显示，实现α钛合金材料变形各阶段织构数据的可视化。
α钛变形过程介观应力和织构的半定量预测及可视化方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种α钛变形过程介观应力和织构的半定量预测及可视化方法，属于材料塑性变形技术领域。
背景技术
[0002] 钛合金由于具有密度低、比强度高、高温性能和耐腐蚀性能优异等特点在航空航天领域有广阔的应用前景。其中，主要由α相组成的α钛和近α钛合金韧性好，屈服应力高。然而密排六方(HCP)结构往往造成的大量晶粒尺度上的塑性流变不均匀性，塑性流变不均匀性进而造成材料介观(晶粒尺度)应力场的不均匀性，而研究α钛合金构件在受外载荷作用发生变形过程的介观应力对于分析裂纹的萌生和疲劳寿命至关重要。有限元方法忽略了材料的晶体结构、晶粒取向和尺寸等因素的影响，难以对材料在外载荷作用下的介观应力进行预测；而常规的(非原位)实验技术由于难以对变形前后的同一区域进行针对性研究，因此在介观应力的研究上也不够准确；使用X射线微衍射、电子背散射衍射技术(EBSD)和晶体塑性有限元CPFE等联合实验‑仿真技术可以用于分析构件局部位置的介观应力，然而上述方法往往仅适用于小试样，且需要针对特定载荷作用的构件进行逐一分析，应力分析成本较高。因此，提供一种基于代表体积元的α钛合金变形过程介观应力和织构的半定量预测及可视化方法是十分必要的。
发明内容
[0003] 本发明为了解决现有实验技术(X射线微衍射、电子背散射衍射技术等)对α钛合金介观应力实验测量成本高，材料内部介观应力难以测量、且难以实现α钛合金变形过程织构演化的可视化等问题，提供一种基于代表体积元的α‑Ti合金变形过程介观应力和织构的半定量预测及可视化方法。
[0004] 本发明的技术方案：
[0005] 一种α钛变形过程介观应力和织构的半定量预测及可视化方法，该方法包括以下步骤：
[0006] 步骤1，基于α钛合金材料的微观结构，建立包含材料织构的代表体积元模型RVE；
[0007] 步骤2，α钛合金材料在外载荷作用下发生塑性变形，随后通过电子背散射衍射技术EBSD表征α钛合金材料的微观变形组织，确定α钛合金材料的介观变形行为，建立α钛合金材料在特定加载荷形式下的晶体塑性模型，并初步确定晶体塑性材料参数；
[0008] 步骤3，以α钛合金材料的宏观力学曲线和α钛合金材料织构演化结果为标的，用开源软件DAMASK谱方法对步骤2获得的晶体塑性模型进行多次试算，并修正晶体塑性材料参数；
[0009] 步骤4，基于修正的模型及晶体塑性参数，用开源软件DAMASK谱方法计算获得α钛合金材料在外载荷作用下介观应力和织构的半定量预测结果；
[0010] 步骤5，采用python程序辅助开源软件MTEX对介观应力和织构的半定量预测结果进行可视化。
[0011] 进一步限定，步骤1的中代表体积元模型RVE建立的具体方法为：将α钛合金材料多层的EBSD数据3D EBSD导入DREAM 3D软件，建立三维代表体积元RVE。
[0012] 进一步限定，步骤1的中代表体积元模型RVE建立的方法为：基于α钛合金材料的XRD或EBSD测量的织构，使用python程序辅助开源软件DAMASK前处理工具建立包含材料织构的代表体积元RVE。
[0013] 进一步限定，步骤1的中代表体积元模型RVE建立的具体方法为：
[0014] (1)将α钛合金材料通过XRD方法获得的织构数据通过python程序转换为格式1的文本数据；所述的织构数据包含欧拉角数据及相应的权重；
[0015] (2)修改格式1的文本数据的文件头和文件类型以适用于DAMASK公开的hybrid IA前处理程序，经处理后得到与代表体积元所含晶粒数量一致的织构数据；
[0016] (3)将步骤(2)获得的织构数据替换代表体积元RVE的原始织构，获得包含XRD测量织构的代表体积元RVE。
[0017] 进一步限定，步骤2中α钛合金材料的外载荷形式包括单轴拉伸、单轴压缩、双轴拉伸、双轴压缩或简单剪切。
[0018] 进一步限定，步骤2建立α钛合金材料在特定加载形式下的晶体塑性模型的具体方法为：
[0019] A、针对不同的变形温度水平，通过查询获得α钛合金材料的各向异性弹性材料参数；
[0020] B、对α钛合金材料的微观变形组织进行EBSD表征，确定材料活动滑移系、孪晶系的类型和数量；根据α钛合金材料的密排六方HCP相基面滑移系与柱面滑移系的比例关系，初步猜定晶体塑性模型相应的滑移系和孪晶系的临界分切应力CRSS；
[0021] C、滑移系统的剪切速率 的演化关系为：
[0022]α
[0023] 其中， 为孪晶体积分数， 为滑移系统的初始剪切速率，τ为滑移系的分切应α力，ξ为其临界值；
[0024] 孪晶系统的剪切速率 的演化关系为：
[0025]
[0026] 其中， 为孪晶体积分数， 为HEAVISIDE函数； 可以表示为：
[0027]β
[0028] 其中，γ为孪晶系的剪切量， 为孪晶系的特征剪切量；
[0029] D、滑移系统的阻力演化关系为：
[0030]
[0031] 孪晶系统的阻力演化关系为：
[0032]
[0033] 其中，α是滑移系统的标志，β是孪生系统的标志；其中， 和 分别为为滑移、孪生系统阻力的变化率，ξ∞是阻力的边界值， c1～c4是所需拟合的模型硬化参数。
[0034] 进一步限定，步骤3的具体修正方法为：
[0035] 根据步骤2获得的晶体塑性模型和相应的晶体塑性材料参数计算得到的宏观真应力‑真应力曲线和α钛合金材料受外载荷作用前后的织构变化；根据实验测试得到的真应力‑真应力曲线的屈服点、流动及硬化行为，适当调整晶体塑性材料参数，使得包含材料织构的代表体积元模型RVE模型在发生变形后，其宏观应力‑应变曲线和织构演化结果与实验结果一致。
[0036] 进一步限定，步骤4的具体操作过程为：
[0037] 使用开源软件DAMASK谱方法作为α钛合金材料在特定载荷作用下晶体塑性模型的求解器，根据外载荷的形式修改DAMASK框架的载荷定义文件，计算结果半定量显示了合计材料在外载荷作用下介观尺度上应力分布。
[0038] 进一步限定，步骤5的具体操作过程为：
[0039] a、通过开源软件DAMASK后处理工具postResults及addOrientation命令在计算结果的ASCII表中加入欧拉角数据；
[0040] b、通过python程序处理ASCII表获得每个像素的位置和对应的欧拉角数据的中间文件；
[0041] c、通过开源软件MTEX加载并处理上述中间文件，并通过处理代表性体积元RVE的位置和相应的欧拉角数据，将其以极图、反极图和取向分布函数图的形式显示，实现α钛合金材料变形各阶段织构数据的可视化。
[0042] 本发明具有以下有益效果：本发明以代表体积元RVE为载体建立晶体塑性模型，将电子背散射衍射技术(EBSD)表征或XRD测量获得织构导入代表体积元RVE，代表体积元RVE由钛合金α相组成，包含了原始实验材料的织构信息，随后进行的晶体塑性仿真考虑了α钛合金的滑移和孪生变形行为，可以获得并可视化材料在多种外载荷作用下的介观应力、织构信息，是一种新颖的半定量预测方法。此外，本发明还可用于分析介观塑性变形不均匀性与晶粒取向的关系，可以有效的预测α钛合金在外载荷作用下的力学响应，对于研究α钛合金构件变形过程的介观应力演化以及介观应力诱发裂纹的萌生和扩展问题至关重要。
附图说明
[0043] 图1为实施例1中XRD织构测量获得的数据格式；
[0044] 图2为对XRD织构测量的数据进行转换后格式1文本数据和适用于hybrid IA程序的数据；
[0045] 图3为实施例1包含材料织构的代表体积元RVE(a)具有1000个晶粒的3D模型，(b)具有100个晶粒的2D模型；
[0046] 图4为实施例1中α钛合金变形后介观应力的预测结果(a)具有1000个晶粒的3D模型，(b)具有100个晶粒的2D模型；
[0047] 图5为实施例1经DAMASK后处理工具postResults及addOrientation命令获得的含欧拉角数据ASCII表；
[0048] 图6为实施例1仅含有每个像素的位置和对应的欧拉角数据的中间文件；
[0049] 图7a为具有100个晶粒2D模型的初始ODF图；
[0050] 图7b为具有100个晶粒2D模型的变形后的ODF图。
具体实施方式
[0051] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0052] 下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
[0053] 实施例1：
[0054] 一种α钛变形过程介观应力和织构的半定量预测及可视化方法，包括以下步骤：
[0055] 步骤1，基于α钛合金的微观组织实验表征结果，使用开源软件DREAM 3D或DAMASK建立包含材料织构的代表体积元模型RVE。
[0056] 对于XRD测量结果，具体步骤为：
[0057] (1)通过XRD方法获得材料的织构数据(如图1，包含欧拉角数据及相应的权重)，并将数据格式通过python程序转换为格式1的文本数据(*.txt)，如图2左侧所示；
[0058] (2)修改格式1的文本数据的文件头和文件类型为格式2，如图2右侧所示，以适用于DAMASK公开的hybrid IA前处理程序，经处理后得到与代表体积元所含晶粒数量一致的织构数据；
[0059] (3)将上述的织构数据替换(利用DAMASK随机几何生成算法生成的)代表体积元RVE的原始织构，以获得包含XRD测量织构的体积元RVE，图3给出了经上述处理得到的包含材料织构(XRD测量结果)的代表体积元RVE，用于后续晶体塑性模型。
[0060] 步骤2，根据α钛合金的外载荷形式(单轴加载、双轴加载、简单剪切)，通过电子背散射衍射技术(EBSD)表征材料的微观变形组织，实验确定α‑Ti合金的介观变形行为(活动滑移系、孪晶系的类型及数量)，建立α钛合金特定加载形式下的晶体塑性模型，并初步确定晶体塑性材料参数；
[0061] 具体步骤为：
[0062] (1)针对不同的变形温度水平，通过查询获得α钛合金的各向异性弹性参数，在室温条件下晶体塑性材料参数为：
[0063]
[0064]
[0065] (2)对材料的微观变形组织进行电子背散射衍射技术(EBSD)表征，确定材料的活动滑移系、孪晶系的类型和数量；根据α钛合金密排六方(HCP)相基面滑移系与柱面滑移系的比例关系，初步猜定晶体塑性模型相应的滑移系、孪晶系的临界分切应力CRSS；
[0066] (3)滑移系统、孪晶系统的剪切速率的演化关系：
[0067]
[0068]
[0069] 其中， 为孪晶体积分数，可以表示为：
[0070]
[0071] (4)滑移系统、孪晶系统的阻力演化关系：
[0072]
[0073] 其中， c1～c4是所需拟合的模型硬化参数，决定了材料在外载荷作用下的硬化行为。
[0074] 步骤3，以α钛合金材料的宏观力学曲线和α钛合金材料织构演化结果为标的，用开源软件DAMASK谱方法对步骤2获得的晶体塑性模型进行多次试算，并修正晶体塑性材料参数；
[0075] 金属的微观变形机制包括滑移变形和孪生变形，一般情况下，α‑Ti合金微观变形机制包括滑移变形，但由于温度影响，孪生变形可能会发生也可能不发生，因此对晶体塑性模型和晶体塑性参数的修正方法为：对α钛合金变形前后样品进行电子背散射衍射技术(EBSD)表征，判断其变形过程是否发生孪生变形以及孪生的类型和数量，再根据试参法调整滑移变形和孪生变形各滑移系或孪晶系的临界分切应力、 和 等硬化参数，调整的标的为：使得含织构的RVE模型在发生变形后，其宏观应力‑应变曲线以及织构演化结果与实验结果一致。
[0076] 步骤4，基于修正的模型及晶体塑性参数，用开源软件DAMASK谱方法计算获得α钛合金在外载荷(单轴加载、双轴加载)作用下介观应力、织构的半定量预测结果，图4给出了基于图3给出的两种代表体积元计算获得的α‑Ti合金变形后介观应力的预测结果；
[0077] 步骤5，通过自行开发的python程序辅助开源软件MTEX对介观应力、织构的半定量预测结果进行可视化。
[0078] 其中介观应力的可视化通过DAMASK后处理工具进行，而织构预测结果的可视化采用DAMASK二维代表体积元RVE仿真并通过python程序辅助开源软件DAMASK或MTEX实现。
[0079] 具体步骤为：
[0080] (1)通过开源软件DAMASK后处理工具postResults及addOrientation命令在计算结果(*.spectralOut)的ASCII表中加入欧拉角数据，图5为经DAMASK后处理工具postResults及addOrientation命令获得的含欧拉角数据ASCII表，其中位置及相应的欧拉角数据用线框标出；
[0081] (2)通过python程序处理ASCII表获得仅含有位置及相应的欧拉角数据的中间文件，如图6；
[0082] (3)通过开源软件MTEX加载并处理上述中间文件，通过自行编写的程序实现α钛合金变形各阶段织构数据的可视化，自行编写的程序为通过处理代表性体积元RVE的位置和相应的欧拉角数据，将其以极图、反极图和取向分布函数图的形式显示，如图7a和7b分别为对含有100个晶粒的代表体积元模型初始织构和变形后织构进行可视化的结果。
[0083] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
