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Ning Z L, Yu J T, Lv X F, et al. An integrated HRDIC framework for slip system identification and CRSS determination in HCP polycrystals[J]. Acta Materialia, 2026, 314: 122351.
Ning, Zuoliang, et al. "An integrated HRDIC framework for slip system identification and CRSS determination in HCP polycrystals." Acta Materialia 314 (2026): 122351. (): .
Ning, Z., Yu, J., Lv, X., Li, M., Ni, Z., Wu, R., Li, J., Wang, S., & Chen, G. (2026). An integrated HRDIC framework for slip system identification and CRSS determination in HCP polycrystals. Acta Materialia, 314, 122351., .
背景简介
密排六方（HCP）金属材料（如锆合金、钛合金等）在核能、航空航天和能源装备中具有广泛应用，其塑性变形主要由位错滑移、孪生等微观机制共同承担。其中，滑移系的激活状态及其临界分切应力（Critical Resolved Shear Stress, CRSS）是决定材料强度、延性、各向异性和损伤演化的关键参数，也是晶体塑性有限元（CPFE）等高保真本构模型可靠预测的基础。
传统滑移迹线分析（Slip Trace Analysis, STA）依赖表面可辨识滑移带，在HCP晶体中常因基面、柱面及锥面滑移迹线相近、交叉滑移呈弥散或波状形貌而出现歧义；单晶/微梁实验、高能X射线衍射显微（High‑Energy X‑ray Diffraction Microscopy, HEDM）或晶体塑性反演虽可用于测定CRSS，但往往存在实验成本高、样品尺寸效应或参数非唯一性等问题。为此，本文基于高分辨率数字图像相关（High-Resolution Digital Image Correlation, HRDIC）与EBSD数据，提出滑移识别与CRSS测定的一体化框架，通过改进局部梯度优化方法和统计阈值识别策略，实现从实验位移场到滑移活动与本构参数的定量转化，为复杂HCP多晶材料变形机制解析提供了新的技术路径。
成果介绍
（1）构建面向HCP多晶材料的HRDIC-EBSD实验数据集：可靠识别滑移系并测定CRSS，首先需要兼具空间分辨率和统计代表性的实验数据。本研究选取Zircaloy-4板材和Ti-2Al-2.5Zr管材作为典型HCP材料，分别在室温和300 ℃条件下开展单轴拉伸中断实验，并将大面积SEM-HRDIC位移/应变场与EBSD晶体取向信息进行像素级配准。两种材料的晶粒尺度差异显著：Ti-2Al-2.5Zr平均等效球径约为48.9 μm，约为Zircaloy-4（5.1 μm）的10倍；同时，室温钛合金呈现清晰的平面滑移带，高温钛合金滑移更为弥散，Zircaloy-4则因晶粒细小而表现出分辨率受限的细密变形特征。上述多材料、多温度和多滑移形貌数据集，为检验算法的稳定性与普适性提供了严格基础。
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图1 典型HCP材料织构、试样几何、晶粒尺度分布及分阶段拉伸-HRDIC实验设计
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图4 改进滑移识别方法获得的基面、柱面、锥面滑移活动及局部转动修正分布
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图3 滑移识别与CRSS测定的一体化迭代框架及归一化滑移阻力收敛过程
（2）提出引入滑移阻力的能量型滑移识别方法：针对原始SSLIP方法在HCP多滑移族体系中存在的非唯一解问题，本文提出了引入归一化滑移阻力的能量型目标函数。该方法在保持局部位移梯度匹配优势的同时，将不同滑移族的相对CRSS作为塑性耗散权重纳入优化过程，从而纠正因锥面滑移系数量较多而导致的锥面滑移过度估计问题。计算结果表明，改进方法能够在不依赖滑移带形貌预筛选的前提下，有效分解交叉、重叠或弥散滑移带；相比原始方法中锥面滑移相对活动量可达约33%-40%的结果，改进后锥面滑移活动显著降低至约2%-5%，基面和柱面滑移贡献更加符合HCP材料已知变形规律。
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图4 改进滑移识别方法获得的基面、柱面、锥面滑移活动及局部转动修正分布
（3）实现CRSS统计测定并完成晶体塑性验证：在获得像素级滑移剪切量后，本文进一步建立了CRSS统计测定方法：对每一滑移族，将所有像素和候选滑移系的名义分切应力（由宏观应力与局部Schmid因子计算）进行分箱，并统计相应平均绝对滑移剪切量。当名义分切应力低于临界值时，平均滑移剪切量较低且相关性弱；超过该阈值后，滑移活动快速增强并近似呈线性增长。由此即可将曲线拐点识别为该滑移族的CRSS，并通过分段线性拟合提高小晶粒数数据集中的稳定性。分析结果给出：Zircaloy-4室温基面/柱面滑移CRSS分别为120 MPa和97 MPa；Ti-2Al-2.5Zr室温为114.5 MPa和87.6 MPa；在300 ℃下二者均降低至68.2 MPa。
滑移识别结果与独立的滑移迹线分析和Schmid因子分析高度一致，说明该方法能够在复杂局部运动学条件下保持明确的物理指向；
将测得CRSS输入Zircaloy-4的CPFE模型后，局部ROI应变场、滑移系活动以及宏观应力-应变响应均得到较好复现，表明所获参数可直接服务于高保真本构模型标定；
所得锆合金与钛合金CRSS结果与文献中微悬臂梁、HEDM、纳米压痕及CP反演数据吻合良好，并准确反映了合金元素和温度对基面/柱面滑移阻力的影响。
结语
本研究发展了一套从HRDIC实验位移场出发、同步获得HCP多晶材料滑移活动与CRSS参数的一体化方法。通过在局部梯度优化中引入滑移阻力约束，并结合大样本统计阈值识别，该框架有效克服了传统滑移识别和CRSS标定中的形貌依赖、运动学歧义和参数反演非唯一性问题。该方法为锆、钛等HCP结构材料变形机制研究、晶体塑性模型校准以及核能和低碳能源装备服役可靠性评估提供了可操作的实验-计算桥梁。
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图5 本研究测得的基面/柱面滑移CRSS与锆合金、钛合金文献数据对比
结语
本研究发展了一套从HRDIC实验位移场出发、同步获得HCP多晶材料滑移活动与CRSS参数的一体化方法。通过在局部梯度优化中引入滑移阻力约束，并结合大样本统计阈值识别，该框架有效克服了传统滑移识别和CRSS标定中的形貌依赖、运动学歧义和参数反演非唯一性问题。该方法为锆、钛等HCP结构材料变形机制研究、晶体塑性模型校准以及核能和低碳能源装备服役可靠性评估提供了可操作的实验-计算桥梁。
致谢
该研究得到国家自然科学基金（批准号：52375155、51875398）和天津大学浙江研究院（宁波）支持，相关研究成果已发表在国际期刊Acta Materialia上。本文第一作者：宁祚良助理研究员（天津大学化工学院），本文通讯作者：陈刚教授（天津大学化工学院）、余京泰（北京低碳清洁能源研究院）。
本期小编：宁祚良 （整理）
董乃健 （发布）
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