对剪切带形成的深入认识和快速准确预测在改进材料力学性能和优化材料设计中极为重要。本文采用多尺度的晶体塑性有限元模拟建立了可实现快速准确预测剪切带形成的方法并对剪切带形成机理及影响因素进行了系统的研究。通过比较不同尺度的晶体塑性有限元模拟预测的冷轧铝板在准静态变形时的剪切带形成特征,揭示了不同尺度的晶体塑性有限元模拟对不同局域化程度的剪切带预测精度和效率的差异,并建立了一种高效的预测剪切带形成概率和特征的方法。通过比较不同应变速率变形时的剪切带形成特征并与只考虑晶格旋转或热软化的结果比较,系统地研究了晶体学织构和应变速率对剪切带形成的影响。主要的研究内容和成果如下:1.提出了可实现快速准确地预测剪切带形成概率和特征的“两步法”:第一步,通过开发Taylor多晶塑性本构模型的用户材料子程序(UMAT),并与ABAQUS/Standard中的单一单元模型相结合,即采用单一单元方法计算变形的应力-应变曲线,根据曲线的硬化/软化特征预测剪切带的形成概率;第二步,对于第一步中得到的剪切带形成概率较大(曲线表现为平坦/软化/软化后再硬化)的情况,采用全尺寸的晶粒尺度模拟(每个单元代表一个晶粒)对剪切带形成特征进行更深入的研究。当需要对多种织构的样品或多种加载方式下的剪切带形成特征进行研究时,采用“两步法”可大大提高计算效率。本文通过比较两种方法对冷轧铝板沿不同方向的平面应变拉伸、压缩和简单剪切变形的计算结果验证了“两步法”的可行性。计算表明,单一单元方法得到的应力-应变曲线的硬化/软化特征与晶粒尺度下预测的剪切带形成特征一致:软化或平坦的曲线对应了晶粒尺度下形成的剧烈剪切带;当曲线表现为持续硬化时,晶粒尺度下变形均匀,无剪切带形成;而当曲线表现为软化后再硬化的特征时,晶粒尺度下预测到剪切带先产生后反局域化的特征。2.系统地比较了宏观、晶粒和亚晶尺度的晶体塑性有限元模拟对于不同局域化程度的剪切带的预测精度和效率。在宏观、晶粒和亚晶尺度下,每个单元分别代表一个多晶聚集体、一个晶粒和晶粒的一部分。单元积分点的本构响应在宏观尺度下由Taylor多晶模型表示,在晶粒和亚晶尺度下则由单晶体本构模型描述。对冷轧铝板沿不同方向的宏观、晶粒和亚晶尺度的模拟表明,三个尺度的晶体塑性有限元模拟对于不同局域化程度的剪切带形成具有不同的预测精度:对于无/强剪切带形成以及剪切带形成后又反局域化的情况,三个尺度的预测均具有较高的精度;而对于弱剪切带形成的情况,只有亚晶尺度能够预测到与实验结果相似的剪切带形成。此外,模拟每减小一个尺度,计算时间约增加一个数量级。根据三个尺度的模拟对不同局域化程度的剪切带预测能力的差异,可对“两步法”做进一步的改进和完善:第一步仍采用单一单元方法进行剪切带形成概率的预估;第二步,对于强剪切带形成或剪切带形成后发生反局域化(曲线表现为平坦/软化或软化后再硬化)的情况,采用基于Taylor模型的宏观尺度模拟即可预测到正确的剪切带形成特征,但对于弱剪切带形成(曲线表现为微弱硬化)的情况,需要采用亚晶尺度的模拟才能预测到与实验相近的结果。3.模拟发现晶体学织构演化引起的几何软化/硬化效应和应变速率增加引起的热软化效应均会影响多晶体中绝热剪切带的形成。由于材料的率敏感性不同,应变速率对材料变形的影响不同,所以本文通过建立描述动态变形的晶体塑性本构模型和ABAQUS/Explicit的用户材料子程序,分别研究了具有不同初始织构的高率敏感性的冷轧IF钢板与低率敏感性的冷轧铝板的剪切带形成特征。计算表明对于准静态下无剪切带形成的织构,高应变速率变形时单独的热软化效应也可引起绝热剪切带的产生,而晶格旋转产生的几何硬化效应只是推迟了绝热剪切带的形成,使得剪切带形成所需的最小应变值增大;对于准静态下易形成剪切带的织构,几何软化和热软化协同促进了剪切带的形成,使得绝热剪切带在更小应变速率和应变下形成且应变局域化程度增加。而当只考虑其中一种效应时,几何软化可引起剪切带在任意应变速率变形中的形成,热软化只能引起高应变速率下剪切带的形成;对于准静态下导致剪切带先形成继而发生反局域化的织构,应变速率增加产生的热软化效应加剧了初始生成的剪切带内的应变局域化程度,并会抑制其反局域化的进程和最终的变形均匀性,并导致在高应变速率下变形的样品在更大应变时又产生剧烈的绝热剪切带,而几何软化后又产生的几何硬化效应推迟了高应变速率下绝热剪切带的产生。