[论文解读] Crystal plasticity model of residual stress in additive manufacturing

Nicolò Grilli, Daijun Hu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2021

Additive Manufacturing Materials and Processes参考文献 77被引用 7

一句话总结

本研究开发了一种耦合热-流体流动与晶粒生长模拟的晶体塑性有限元模型，用于预测选区激光熔融316不锈钢在晶粒尺度上的残余应力。新颖的单元消除与再激活方法能准确捕捉熔化、凝固及塑性变形的重新初始化，结果表明残余应力强烈受晶粒取向影响，且在平行和垂直于激光扫描方向上最大，这是由于Schmid因子效应所致。

ABSTRACT

Selective laser melting is receiving increasing interest as an additive manufacturing technique. Residual stresses induced by the large temperature gradients and inhomogeneous cooling process can favour the generation of cracks. In this work, a crystal plasticity finite element model is developed to simulate the formation of residual stresses and to understand the correlation between plastic deformation, grain orientation and residual stresses in the additive manufacturing process. The temperature profile and grain structure from thermal-fluid flow and grain growth simulations are implemented into the crystal plasticity model. An element elimination and reactivation method is proposed to model the melting and solidification and to reinitialise state variables, such as the plastic deformation, in the reactivated elements. The accuracy of this method is judged against previous method based on the stiffness degradation of liquid regions by comparing the plastic deformation as a function of time induced by thermal stresses. The method is used to investigate residual stresses parallel and perpendicular to the laser scan direction, and the correlation with the maximum Schmid factor of the grains along those directions. The magnitude of the residual stress can be predicted as a function of the depth, grain orientation and position with respect to the molten pool.

研究动机与目标

• 开发一种高保真度的晶体塑性有限元模型，以捕捉增材制造中晶粒尺度的残余应力形成机制。
• 解决现有模型在模拟熔化与凝固过程中存在的数值发散或人为变形等局限性。
• 研究晶粒取向及晶体学滑移系统对选区激光熔融中残余应力分布的影响。
• 将所提出的单元消除与再激活方法与刚度退化方法进行对比验证，并量化其对塑性变形与残余应力预测的影响。
• 将残余应力的大小与方向与不同晶体学取向下的最大Schmid因子进行关联。

提出的方法

• 通过耦合的热-流体流动与晶粒生长模拟，提供温度场与晶粒结构作为晶体塑性模型的输入。
• 提出一种单元消除与再激活方法，用于模拟熔化与凝固过程，实现塑性变形等状态变量在再激活时的重新初始化。
• 该方法通过在熔化时消除单元、在凝固时重新激活单元，避免了数值发散与人为变形，优于传统的激活/去激活或刚度退化技术。
• 基于滑移系统，利用晶体塑性理论计算塑性变形，采用Schmid因子确定每个晶粒中塑性流动的可能性。
• 模型采用有限元框架，并通过用户自定义材料行为实现热-机械耦合，引入温度相关的材料性能参数。
• 通过将预测的塑性变形随时间的变化与刚度退化方法进行比较，验证了该方法的准确性，结果表明新方法预测的塑性变形与应力更高。

实验结果

研究问题

• RQ1 与刚度退化方法相比，单元消除与再激活方法在熔化与凝固模拟中如何提升残余应力预测的准确性？
• RQ2 晶粒取向，特别是Schmid因子，在决定选区激光熔融316不锈钢中残余应力大小与方向方面起什么作用？
• RQ3 残余应力如何随深度及相对于熔池的位置变化？其相对于激光扫描方向的各向异性特征如何？
• RQ4 预测的残余应力在多大程度上与SLM零件中实验观测到的微裂纹形貌相关？
• RQ5 所提出的建模框架在SLM以外的其他金属与增材制造工艺中是否具有普适性？

主要发现

• 与刚度退化方法相比，单元消除与再激活方法预测的塑性变形与残余应力更高，表明后者因人为刚度约束而低估了热应力。
• 残余应力在平行与垂直于激光扫描方向上最大，σxx与σyy方向的残余应力大小相近，与实验中观察到的垂直于扫描路径的微裂纹现象一致。
• 在x、y、z方向具有高Schmid因子的晶粒表现出更大的塑性变形，证实晶体学取向直接控制局部应力演化。
• 由于热膨胀，熔池周围在x与y方向产生压应力塑性应变，冷却后转化为拉应力残余应力。
• 基板对平面内变形形成约束，即使在表面自由边界条件下，仍导致显著的残余应力。
• 模型预测显示，沿x与y方向存在大拉应力残余应力的区域最易发生断裂，解释了实验中裂纹多垂直于激光扫描方向出现的原因。