基于元胞自动机的晶体塑性分析：增材制造的Ti-6Al-4V合金在停留疲劳过程中的滑移行为

《Journal of Alloys and Compounds》：A Cellular Automata-based crystal plasticity analysis of slip activity in additive manufactured Ti-6Al-4V during dwell fatigue

增材制造Ti-6Al-4V合金微观结构模拟与疲劳机制研究采用细胞自动机与晶体塑性有限元耦合方法，通过ExaCA工具生成真实SLM微观结构，引入Burgers取向关系最小应变能指标确定α相变，基于拉伸试验校准参数后揭示滑移系统激活规律及载荷卸移对疲劳行为的影响，为复杂工况下AM合金疲劳机理提供新分析框架。

　　本文研究了采用选择性激光熔融（SLM）工艺制造的Ti-6Al-4V材料在驻留疲劳条件下的滑移行为。研究提出了一种结合细胞自动机（CA）和晶体塑性有限元（CPFE）方法的数值模型，以更精确地模拟材料的微观结构，并分析滑移系统激活对局部应力分布的影响。该方法在传统基于多边形的微观结构模型基础上进行了改进，使得生成的微观结构更接近实际材料的特征，从而提升了模拟的准确性与可靠性。

Ti-6Al-4V是一种广泛应用的钛合金，因其优异的耐腐蚀性和高强度，常用于航空航天领域。在SLM制造过程中，由于激光的扫描策略和工艺参数的影响，材料的微观结构往往呈现出复杂的形态。这种微观结构不仅包括等轴的α相和β相，还可能形成双峰结构，即等轴的初生α相与转变后的β区域。这种结构的形成对材料的力学性能具有显著影响，因此，研究其在驻留疲劳条件下的行为变得尤为重要。

传统研究多采用实验方法和数值模拟方法来分析SLM制造材料的疲劳性能。实验方法虽然能够提供直接的材料行为数据，但难以揭示微观尺度下的变形机制。而数值模拟方法则能够在一定程度上预测材料的行为，但往往忽略了SLM制造过程中特有的微观结构特征，如晶粒形状和分布。此外，β相向α相转变过程中，如何选择具体的α变体仍然是一个未解的问题。

本文提出了一种新的集成模型，结合了CA方法和CPFE方法，用于生成更接近实际材料的微观结构，并研究其在驻留疲劳条件下的滑移行为。该模型通过模拟SLM过程和晶核形成机制，生成了具有复杂形态的晶粒结构。随后，利用Burgers取向关系（BOR）对晶粒的取向进行了简化，从而构建了一个更符合实际材料特征的基础模型。为了确保模拟的准确性，模型的晶体塑性参数被通过拉伸实验数据进行了校准。

在驻留疲劳条件下，材料的应力分布会发生显著变化。研究发现，驻留疲劳过程中，应力会从较软的晶粒向其邻近的较硬晶粒重新分布，这一现象被称为“应力卸载”。然而，由于实验方法在晶粒级应力解析方面的不足，这一机制的详细过程仍然不明确。通过CPFE方法，研究者能够直接计算每个滑移系统上的剪切应力，并与相应的临界剪切应力（CRSS）进行比较，从而更精确地评估滑移系统的激活情况。

研究结果表明，材料在驻留疲劳过程中会经历累积的滑移系统激活，从而导致材料的硬化现象。同时，应力卸载与滑移活动之间存在明确的关联，这一发现与之前的研究结果一致。通过这种集成模型，研究者能够更全面地理解SLM制造材料的疲劳机制，为未来的材料设计和性能优化提供了理论支持。

在SLM制造过程中，晶粒的形状和分布受到多种因素的影响，包括激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚等。这些参数的选择对最终材料的微观结构和性能具有决定性作用。因此，研究者需要对这些参数进行优化，以确保生成的微观结构能够准确反映实际材料的特征。同时，研究者还发现，SLM制造材料容易出现一些不可避免的缺陷，如熔合不足、高热应力梯度、表面质量差和工艺引起的孔隙等，这些缺陷会显著降低材料的服役寿命。

为了克服这些挑战，研究者提出了一种基于CA方法和CPFE方法的集成框架，用于生成更接近实际材料的微观结构，并研究其在驻留疲劳条件下的滑移行为。该方法通过模拟SLM过程，能够生成具有复杂形态的晶粒结构，并利用BOR对晶粒的取向进行了简化。随后，通过拉伸实验数据对模型的晶体塑性参数进行了校准，以确保模拟的准确性。

研究结果表明，该方法能够更精确地模拟材料的微观结构，并揭示其在驻留疲劳条件下的滑移行为。通过CPFE方法，研究者能够直接计算每个滑移系统上的剪切应力，并与相应的CRSS进行比较，从而更全面地评估滑移系统的激活情况。同时，研究者还发现，应力卸载与滑移活动之间的关系可以通过这种集成方法得到更清晰的解释，这为理解SLM制造材料的疲劳机制提供了新的视角。

此外，研究者还发现，该方法在模拟过程中能够克服传统模型的局限性，提供更可靠的结果。通过这种集成模型，研究者能够更精确地预测材料的疲劳性能，并为未来的材料设计和性能优化提供理论支持。因此，该方法具有重要的应用价值，特别是在航空航天等对材料性能有严格要求的领域。

综上，本文提出了一种结合CA和CPFE方法的数值模型，用于研究SLM制造Ti-6Al-4V材料在驻留疲劳条件下的滑移行为。该方法能够生成更接近实际材料的微观结构，并准确模拟晶格取向对滑移系统激活的影响。通过实验数据校准模型参数，研究者能够更精确地预测材料的性能，并为理解材料的疲劳机制提供新的思路。这一研究不仅有助于提高SLM制造材料的性能，还为未来的材料设计和性能优化提供了重要的理论支持。