近年来一些研究表明，金属蠕变过程中在晶界处可以看到蠕变空洞的萌生，进而引发延性断裂。其机制受到许多微观结构的影响，如晶粒取向和碳化物析出。晶粒错取向与碳化物对断裂的影响密切相关，因为晶界错取向角在一定程度上决定了碳化物的密度。这反过来又降低了晶界临界能量释放率，并影响了加载过程中的应变不相容和局部应力状态。针对这些问题，Bristol大学电气、电子和机械工程系Michael Salvini等人提出了一种晶体塑性与损伤相场耦合的理论框架，通过依赖于晶粒错取向的临界能量释放率的方法来确定由于晶间碳化物析出和晶界错取向的影响而导致的局部临界能量释放率的降低。通过与相关的电镜实验结果进行比较，表明了相场模型在预测早期损伤形成区域的潜力。加入了塑性应变和蠕变效应，并与实验数据进行了比较，探讨了施密德因子跨晶界差和平均值、加载方向应力和位错密度等微观组织几何特性的影响。![]()
图1 (a) 晶界上的施密德因子（滑移系上的最大值）与晶界相场损伤之间的平均值，(b) 晶界上不同单元之间的Schmid因子的差异与晶界相场损伤的关系。
在图1(a)中，将跨晶界元素对处的施密德因子（滑移系统中最大）的平均值与相场损伤之间的关系进行了比较。在图1(b)中，对施密德因子之间的差异（滑移系上的最大值）进行了相同的处理。晶界元处相场损伤与平均边界施密德因子和边界施密德因子差之间的相关性非常弱，这与实验观察结果一致。且损伤范围随着平均Schmid因子的增加而增加，而随着Schmid因子差异的减小而减少，这表明在一对晶粒中，更多的塑性活动更可能导致更多的损伤。图2详细描述了晶界元SSD和GND与相场损伤值的关系。SSD总密度与显微组织损伤的相关系数为0.90。GNDs的相关性较弱，相关系数为0.46。![]()
图2 (a) 相场损伤与跨晶界储存位错密度（SSD）的关系图，(b) 归一化相场损伤与晶界单元上所有滑移系统的几何必要位错（GND）总密度的关系图。
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图3 (a) 316H不锈钢实验试样与参考弹性应变能损伤模型和相关系数分别为0.04和0.03的弹塑性损伤模型相比，空化比与晶界取向偏差的关系图。(b)在通过EBSD建立的RVE模型上使用弹塑性损伤模型产生的损伤场
图4给出了施加低应变下的损伤场。由于整个微观结构的塑性变形有限，塑性功贡献项相对于弹性应变而言很小。参考弹性应变能损伤模型和弹塑性损伤模型的临界能量释放率都设为相同值，以确保在相同应变水平下发生断裂，因此尽管图4(b)中的损伤幅度较小，但与图4(a)中模拟的损伤起裂模式和得到的损伤场几乎相同，与实验结果吻合较好。![]()
图4 对比0.15%应变(a)和3%应变下相同组织的相场，比较累积应变增大对损伤程度的影响.
由图4可以看出，在高应变下，由于相场损伤值越高，局部梯度项的贡献越大，相场的明显特征越少，但在低应变模拟中，损伤开始的区域与高应变下的相同区域相匹配。相关成果以“Effect of grain boundary misorientation and
carbide precipitation on damage initiation: A coupled crystal plasticity and
phase field damage study”为题发表在International Journal of Plasticity (Volume
172, 2024) 上，论文第一作者和通讯作者为Michael Salvini。论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2023.103854
