CN112580233B - 一种考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，包括：建立与金属材料的晶粒尺寸相关的损伤模型，嵌入用户子程序UMAT的本构模型中；通过模拟拟合所需预测的金属材料的多种不同的微观结构的应力应变关系，得到所需的一参数组；建立所需预测的金属材料的微观结构模型，计算模型中每个晶粒的尺寸并赋予到材料参数模块；确定边界条件和加载条件，并根据参数组预测金属材料的力学性能。本发明的金属材料强韧性能预测方法，能够更好地考虑晶粒尺寸对材料综合性能的影响，准确预测材料的力学性能，具有精度高、灵活性强、可实施材料性能评估和直观的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，属于材料力学性能有限元数值计算领域。
背景技术
随着能源动力、航空航天领域的飞速发展，工业对金属材料的综合性能提出了更高的要求，然而金属的强度和延展性的权衡一直困扰着材料科学家。为了解决这一问题，过去几十年来，人们一直在努力开发各种技术途径，以有效地定制金属材料的微结构，使其表现出独特的尺寸和协同效应，提高材料力学性能。然而由于这些新型材料的实验工艺成本高昂且制备速率缓慢，急需商业软件来实现准确预测和分析复杂微观结构的力学性能，来优化和指导未来的微观结构调控。
然而为了考虑新型金属结构材料的复杂微观结构，传统不考虑晶粒尺寸的损伤模型，即对于同一材料临界应变容限为定值的模拟方法已无法满足要求，如果损伤参量和材料的微观晶粒尺寸无对应关系，可能在分析一种微观结构时不会造成较大误差，但是其会造成性能预测和分析仅在小范围的尺寸下适用，并不具有普适性，进而失去材料的力学性能模拟的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，以考虑不同晶粒尺寸的损伤容限，准确模拟出待预测微观结构的力学性能。
本发明的考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法的主要理论基础和假设有：(1)采用热驱动流动准则滑移变形机制；(2)多尺度滑移阻力模型是通过两组霍尔佩奇方程来考虑不同尺度下的晶粒尺寸效应；(3)修正的背应力模型是通过考虑异质结构中粗晶和细晶的强度差来考虑由于大的应变梯度引起的背应力强化效应；(4)微观结构的各项异性实现方法是通过将每个晶粒赋予随机取向或者根据EBSD试验方法得到的实际取向，并且每个晶粒赋予对应其晶粒结构类型的滑移系及特征参数；(5)采用增量加载模式，每一加载步为小变形加载，即认为应力-应变关系为瞬时线弹性。
为了实现上述目的，本发明公开了一种考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，包括步骤：
S1：建立与金属材料的晶粒尺寸相关的损伤模型，将其嵌入到用户子程序UMAT的本构模型中，所述用户子程序UMAT对应于一材料参数模块；
S2：通过模拟拟合所需预测的金属材料的多种不同的微观结构的应力应变关系，得到所需的一参数组；
S3：建立所需预测的金属材料的微观结构模型，计算模型中每个晶粒的尺寸并赋予到所述材料参数模块；
S4：确定边界条件和加载条件，并根据所述步骤S2得到的参数组预测金属材料的力学性能。
进一步地，所述S1步骤包括：利用以下公式来建立金属材料尺寸相关的损伤模型，以描述损伤对材料力学性能的劣化程度：
C＝C(1-ω)，
其中，C为材料弹性张量，ω为损伤变量；
损伤变量ω的演化方程为：
其中，m为材料参数，εeq为累计塑性应变，εc为临界损伤应变；
临界损伤应变εc为：
其中，d为晶粒尺寸，A、B、ε0为材料参数；
累计塑性应变εeq的演化如下：
其中，t为计算总时间，mα为第α滑移系滑移方向的单位矢量，nα为其滑移面法向的单位矢量，Dp为塑性应变率，为剪切应变率，Fe为弹性应变梯度。
进一步地，所述步骤S1的用户子程序UMAT的本构模型基于现有的晶体塑性本构模型的框架；在所述晶体塑性本构模型的框架中，每个晶粒的变形分解为弹性应变梯度Fe和塑性应变梯度Fp：
F＝FeFp，
弹性应变为：
εe＝C-1:σg，
其中，εe为弹塑性本构方程中的弹性应变，σg为作用在晶粒中的应力张量，C-1为材料弹性张量；
弹性应变εe为：
其中，Fe为弹性应变梯度，I为单位矩阵；
每个晶粒的塑性应变梯度为：
Fp为塑性应变梯度；Pα为第α滑移系的方向因子张量，为第α滑移系的剪切应变率；
其中，Pα为第α滑移系的方向因子张量，mα为第α滑移系滑移方向的单位矢量，nα为其滑移面法向的单位矢量；
每个潜在滑移系的切变量为：
其中，为第α滑移系的剪切应变率；T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，Bα为第α滑移系的背应力，Sα为第α滑移系的滑移阻力，τα为第α滑移系的分解切应力，F0为热激活位错越过障碍的激活能，τ0、p、q为材料常数，/>为临界剪切应变率；
其中，第α滑移系的分解切应力τα表示为：
其中，其中，Fe为弹性应变梯度，mα为第α滑移系滑移方向的单位矢量，nα为其滑移面法向的单位矢量，T*是第二Piola-Kirchoof应力；
其中，第α滑移系的滑移阻力Sα为：
hαβ＝hs[w+(1-w)δαβ]，
其中，Sα为第α滑移系的滑移阻力，hαβ为滑移硬化矩阵，hs为静态硬化模量，w代表晶格硬化率，δαβ代表克罗内克函数，s0、Ssat为传统晶粒尺寸对应的初始滑移阻力和饱和滑移阻力，S0为多尺度的初始滑移阻力参数，ks为霍尔佩奇系数，d为晶粒尺寸；Sβ为在第β滑移系的滑移阻力；
每个滑移系的背应力为：
其中，hb代表硬化率，代表参考硬化率，kb、rD为材料参数，dn为当前计算晶粒的周围晶粒平均尺寸。
进一步地，在所述步骤S2中，拟合得到的参数组包括下列材料参数：弹性模量E，泊松比v，临界剪切应变率相互作用硬化模量kb,参考应变模量/>动态回复常数rD，参考滑移阻力常数hs，初始滑移阻力s0，霍尔佩奇系数ks，材料参数：m、A、B、ε0、p、q和w。
进一步地，所述步骤S2具体包括：通过试参法获得金属材料的多组不同的均匀微观结构的ABAQUS有限元模型各自的拉伸曲线的模拟结果，直至拉伸曲线的模拟结果与金属材料的多种不同的微观结构的拉伸试验所得的拉伸曲线有较好的拟合程度，从而获取所需的参数组。
进一步地，所述S3步骤包括：
S31：S31：通过ABAQUS的脚本程序生成所需预测的材料的微观结构的ABAQUS的有限元模型；
S32：计算有限元模型中每个晶粒的面积，换算成当量圆直径作为晶粒尺寸d，结合根据实验生成的晶粒取向，晶粒的取向参数采用三个欧拉角φ、/>表示，赋予到ABAQUS的材料参数模块。
进一步地，所述S4步骤包括：
S41：对S3生成的有限元模型施加周期性边界条件；
S42：结合所述步骤S1中的损伤模型、用户子程序UMAT的本构模型和步骤S2的参数组，通过ABAQUS软件计算得到材料的力学性能。
本发明的考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法结合了考虑晶粒尺寸的损伤模型，将晶粒的尺寸效应引入到损伤准则中，并写入ABAQUS子程序中，并采用周期性边界条件，通过选取具有宏观试样代表性的最小微观结构来建模，能够准确预测材料的均匀延伸率随晶粒尺寸的演化关系，能够模拟跨尺度试样的力学性能响应，弥补了传统模型只能模拟小范围晶粒尺寸金属材料力学性能的不足。此外，本发明的方法基于ABAQUS有限元软件，能够直观的提取微观结构中每个晶粒的变形滑移带、应力应变和损伤集中位置和分布图，从而预测裂纹萌生位置，并可充分发挥有限元模拟计算的优势，实现复杂的边界加载条件和多样的可视化后处理操作，具有直观、适用性强、精确度高的优点。再者，本发明所述方法的晶体塑性本构模型延续了热驱动流动准则的晶体塑性变形的理论机制，同时与有限元方法相结合，采用基于晶粒组织的网格模型，并考虑了待测微观结构的晶粒尺寸效应，使用了多尺度滑移阻力模型和考虑晶粒尺寸的随动强化模型，能够准确预测不同微观结构的弹塑性转变过程和屈服应力。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的基于ABAQUS的不同微观结构力学性能方法流程图；
图2为金属材料的有限元模型的周期性边界条件和加载条件的示意图；
图3为金属材料的三种不同的微观结构的拉伸试验所得的拉伸曲线及拉伸曲线的模拟结果的对比图；
图4为金属材料的不同微观结构的塑性预测与实验结果的对比图；
图5为金属材料的不同微观结构的强度-延性倒置曲线预测与实验结果对比图；
图6为晶粒尺寸为3微米的金属材料的微观结构的流动应力的概率分布图；
图7为晶粒尺寸为3微米的金属材料的微观结构的累计塑性应变概率分布图；
图8为晶粒尺寸为3微米的金属材料的微观结构的损伤的概率分布图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示为根据本发明的一个实施例的考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法。
在本实施例中，所述预测方法具体用于预测低碳钢均匀结构单轴拉伸的综合力学响应。在本实施例中，本实施例基于ABAQUS软件平台，并修改了用户材料子程序。步骤S1-S4的均是通过用户材料子程序来实现的,所述步骤S1-S4为一个时间增量步的具体计算内容，所有时间增量步的计算完成后,则实现了金属材料单轴拉伸的综合力学响应预测。此外，在其他实施例中，本发明的预测方法还可以用于预测其他材料的力学性能。
请参阅图1，考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法包括以下步骤：
步骤S1：建立与金属材料的晶粒尺寸相关的损伤模型，将其嵌入到用户子程序UMAT的本构模型中，所述用户子程序UMAT对应于一个材料参数模块。
其中，在所述步骤S1中，利用以下公式(1)-(5)来建立金属材料尺寸相关的损伤模型，以描述损伤对材料力学性能的劣化程度：
C＝C(1-ω) (1)
其中，C为材料弹性张量，ω为损伤变量；
损伤变量ω的演化方程为：
其中，m为材料参数，εeq为累计塑性应变，εc为临界损伤应变；
临界损伤应变εc为：
其中，εc为临界损伤应变，d为晶粒尺寸，A、B、ε0为材料参数。
累计塑性应变εeq的演化如下：
其中，t为计算总时间，mα为第α滑移系滑移方向的单位矢量，nα为其滑移面法向的单位矢量，Dp为塑性应变率，为剪切应变率，Fe为弹性应变梯度。
上述公式(1)-(5)为损伤模型相关方程。
下面具体描述临界损伤应变εc与晶粒尺寸的关系(即公式(3))的推导过程。
基于现有文献[Li S X,Cui G R.Dependence of strength,elongation,andtoughness on grain size in metallic structural materials[J].Journal ofapplied physics,2007,101(8):083525]，细晶的强化机制与析出项类似，根据变形几何条件，细晶的界面处附近堆积的需要适应塑性变形不匹配的几何必要位错环的数目Ngf为：
Ngfb＝λ1εdf (6)
其中，ε,b,λ1,df分别是应变、伯格斯矢量、细晶的几何参数(取决于晶粒的形状)和细晶的晶粒尺寸。
总的细晶数量Nf为：
Nf＝6Vf/[π(df)3] (7)
其中，Vf为细晶的体积分数，df为细晶的晶粒尺寸。
一个位错环的的长度如果取为πdf，则细晶堆积的几何必须位错的密度ρGs可表示为：
ρGf＝NfNgfπdf＝6λ1εVf/(bdf) (8)
其中，ε,b分别是应变和伯格斯矢量；Vf为细晶的体积分数，λ1和df分别为细晶的几何参数和晶粒尺寸。
同理，对于粗晶堆积的几何必须位错可表示为：
ρGc＝6λ2εVc/(bdc) (9)
其中，Vc为粗晶的体积分数，为1-Vf；λ2和dc分别为粗晶的几何参数和晶粒尺寸。
基体的流动应力可表示为：
σm＝Mαμb(ρSSD)-1/2 (10)
基体也就是理想均匀结构的应力，只有统计位错密度ρSSD贡献，无几何必须位错密度ρGND贡献。
结合公式(5)和(6)，在细晶存在情况下引起的几何必须位错，根据经典泰勒强化理论，整体材料的流动应力σf为：
σf＝Mαμbρt -1/2＝Mαμb(ρGND+ρSSD)-1/2 (11)
其中，α，μ，M和ρt分别为经验常数，剪切模量，泰勒因子和总位错密度，总位错密度由几何必须位错密度ρGND和统计位错密度ρSSD组成。
结合公式(7)和(8)可得：
(σf/σm)2＝1+ρGND/ρSSD (12)
据文献报道，晶粒内的统计位错密度与晶界处的位错源有关，假设位错源的密度为n，晶粒内的统计位错密度大约为8n/πd，d为晶粒尺寸，结合公式(5),(6)和(9)，可得：
σf＝σm[1+3επ(Vfdλ1/df+(1-Vf)λ2d/dc)/b4n]1/2 (13)
将考虑准则：dσ/dε＝σ(式中的σ为整体材料的流动应力σf)作为临界均匀变形的判据，将上式带入可得：
由于不同实验中试样内部的细晶的体积分数Vf和晶粒尺寸df不一致且难以测量，所以提出一种半经验公式，形式如上文公式(3)所示。
接着，将损伤模型嵌入用户子程序UMAT的本构模型中，并结合现有的晶体塑性本构模型，得到一个材料参数模块，从而进行材料的力学性能仿真。
其中，所述步骤S1的用户子程序UMAT的本构模型基于现有的晶体塑性本构模型的框架；
在所述晶体塑性本构模型的框架中，每个晶粒的变形分解为弹性应变梯度Fe和塑性应变梯度Fp：
F＝FeFp
弹性应变εe为：
εe＝C-1:σg，
其中，εe为弹塑性本构方程中的弹性应变，σg为作用在晶粒中的应力张量，C-1为材料弹性张量；
弹性应变εe为：
其中，Fe为弹性应变梯度，I为单位矩阵。
每个晶粒的塑性应变梯度为：
Fp为塑性应变梯度；Pα为第α滑移系的方向因子张量，为第α滑移系的剪切应变率。
其中，Pα为第α滑移系的方向因子张量，mα为第α滑移系的滑移方向的单位矢量，nα为其滑移面法向的单位矢量。
每个潜在滑移系的切变量为：
其中，为第α滑移系的剪切应变率；T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，Bα为第α滑移系的背应力，Sα为第α滑移系的滑移阻力，τα为第α滑移系的分解切应力，F0为热激活位错越过障碍的激活能，τ0、p、q为材料常数，/>为临界剪切应变率；
其中，第α滑移系的分解切应力τα表示为：
其中，Fe为弹性应变梯度，mα为第α滑移系滑移方向的单位矢量，nα为其滑移面法向的单位矢量，T*是第二Piola-Kirchoof应力。
第二Piola-Kirchoof应力T*为：
T*＝CEe，
其中，Ee为弹性模量，C-1为材料弹性张量；
第α滑移系的滑移阻力Sα为：
hαβ＝hs[w+(1-w)δαβ]，
其中，hαβ为滑移硬化矩阵，hs为静态硬化模量，w代表晶格硬化率，δαβ代表克罗内克函数，s0、Ssat为传统晶粒尺寸对应的初始滑移阻力和饱和滑移阻力，S0为多尺度的初始滑移阻力参数，ks为霍尔佩奇系数，即Hall-Petch准则斜率(多尺度体现在粗细晶区域使用不同的初始滑移阻力s0，霍尔佩奇系数ks，可见下文中参数拟合)，d为晶粒尺寸；Sβ为在第β滑移系的滑移阻力；
此外，每个滑移系的背应力为：
其中，hb代表硬化率，代表参考硬化率，kb、rD为材料参数，dn为当前计算晶粒的周围晶粒平均尺寸。
上述这些公式(包括背应力模型)都是步骤S1中用户子程序UMAT的材料的本构模型里的内变量。
步骤S2：通过模拟拟合所需预测的所需预测的金属材料的多种不同的微观结构的应力应变关系，得到所需的一参数组；
所述步骤S2具体包括：通过试参法获得金属材料的多组不同的均匀微观结构的ABAQUS有限元模型各自的拉伸曲线的模拟结果，直至拉伸曲线的模拟结果与金属材料的多种不同的微观结构的拉伸试验所得的拉伸曲线有较好的拟合程度，从而获取所需的参数组。
在所述步骤S2中，拟合得到的参数组包括下列材料参数：弹性模量E，泊松比v，临界剪切应变率相互作用硬化模量kb,参考应变模量/>动态回复常数rD，参考滑移阻力常数hs，初始滑移阻力s0，霍尔佩奇系数ks，材料参数：m、A、B、ε0、p、q和w。
由于在本实施例中，所述预测方法具体用于预测低碳钢均匀结构单轴拉伸的综合力学响应，因此，据前人文献中使用过的材料参数或利用不同微观结构的应力应变关系(即材料拉伸试验所得的拉伸曲线)对用户子程序UMAT中的材料参数确定如下，E＝200GPa,v＝0.3,F0＝286kJ mol-1,T＝293K,p＝1.0,q＝2.0,τ0＝90MPa,kb＝80MPa.μm-1/2,/>w＝2，rD＝6MPa,hs＝180MPa；对于金属材料的多种不同的微观结构，其初始滑移阻力s0和霍尔佩奇系数ks随金属材料的晶粒尺寸范围变化而变化，对于金属材料的晶粒尺寸范围在0.1-1微米尺度，s0＝432MPa,ks＝9.48MPa.μm-1/2，对于金属材料的晶粒尺寸范围在1-15微米尺度，s0＝-83.6MPa,ks＝26.1MPa.μm-1/2，对于金属材料的晶粒尺寸范围在15-100微米尺度，s0＝62.3MPa,ks＝7.1MPa.μm-1/2。
步骤S3：建立所需预测的材料的微观结构模型，计算模型中每个晶粒的尺寸并将其赋予到材料参数模块；
步骤S3进一步包括步骤：
步骤S31：通过ABAQUS的脚本程序生成所需预测的材料的微观结构的ABAQUS的有限元模型；
在步骤S31中，主要根据实验测得的晶粒尺寸去生成微观结构模型，而不需要用到材料参数。
步骤S32：计算有限元模型中每个晶粒的面积，换算成当量圆直径作为晶粒尺寸d，结合根据实验生成的晶粒取向，晶粒的取向参数采用三个欧拉角φ、/>表示，赋予到ABAQUS的材料参数模块；
其中，材料参数模块还包括每个晶粒的晶粒尺寸和取向，这两个参数在上文的用户子程序UMAT的本构模型中需要用到。
步骤S4：确定边界条件和加载条件，并根据步骤S2得到的参数组预测金属材料的力学性能，具体包括：
步骤S41：对步骤S3生成的有限元模型施加周期性边界条件和加载条件；
步骤S42：结合所述步骤S1中的损伤模型、用户子程序UMAT的本构模型和步骤S2的参数组，通过ABAQUS软件计算得到材料的力学性能。
模拟结果：
通过本实施例，能够获得如下预测结果：
1、边界条件和加载条件的施加。
图2示出了在步骤S4中的金属材料的有限元模型的周期性边界条件和加载条件的示意图。
2、异质双峰结构的结构屈服应力预测
图3示出了在步骤S2中，室温下通过金属材料的三种不同的微观结构的拉伸试验所得的拉伸曲线及拉伸曲线的模拟结果的对比图。所述拉伸曲线用来拟合模型所需要的参数，从图3的预测与实验的比较可以看出模拟预测值与实验值能够较好的吻合，证明模型的可行性。
3、不同晶粒尺寸的塑性预测图
图4为室温下，超细晶(几百纳米)到粗晶(几十微米)尺度的金属材料的微观结构的塑性预测图，可以看出模拟预测值与实验值能够较好的吻合，证明模型的可行性，并从无尺寸效应的预测结果和实验结果对比中可地模型修正的必要性。
4、不同晶粒尺寸的强韧性预测图
图5为室温下，超细晶(几百纳米)到粗晶(几十微米)尺度的金属材料的微观结构的强度-延性倒置曲线预测与实验结果对比图。从图中可以看出模拟预测值与实验值能够较好的吻合，图中反应出金属材料强度和延性的倒置关系。
5、3微米结构在应变为百分八时的力学性能数值分布图
以平均晶粒尺寸为3微米的金属材料的微观结构为例，图6、图7和图8分别为晶粒尺寸为3微米的金属材料的微观结构的流动应力、累计塑性应变和损伤的概率分布图，可以看出材料内部的应力和应变状态呈现强烈的不均匀性，易导致应力和应变集中，进而引发局部区域的损伤值较大。
以上记载的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。
Claims (4)
1.一种考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：建立与金属材料的晶粒尺寸相关的损伤模型，将其嵌入到用户子程序UMAT的本构模型中，所述用户子程序UMAT对应于一材料参数模块；
步骤S2：通过模拟拟合所需预测的金属材料的多种不同的微观结构的应力应变关系，得到所需的一参数组；
步骤S3：建立所需预测的金属材料的微观结构模型，计算模型中每个晶粒的尺寸并赋予到所述材料参数模块；
步骤S4：确定边界条件和加载条件，并根据所述步骤S2得到的参数组预测金属材料的力学性能；
所述步骤S1包括：利用以下公式来建立金属材料尺寸相关的损伤模型，以描述损伤对材料力学性能的劣化程度：
C＝C(1-ω)，
其中，C为材料弹性张量，ω为损伤变量；
损伤变量ω的演化方程为：
其中，m为材料参数，εeq为累计塑性应变，εc为临界损伤应变；
临界损伤应变εc为：
其中，d为晶粒尺寸，A、B、ε0为材料参数；
累计塑性应变εeq的演化如下：
其中，t为计算总时间，mα为第α滑移系滑移方向的单位矢量，nα为其滑移面法向的单位矢量，Dp为塑性应变率，为剪切应变率，Fe为弹性应变梯度；
所述步骤S1的用户子程序UMAT的本构模型基于现有的晶体塑性本构模型的框架；在所述晶体塑性本构模型的框架中，每个晶粒的变形分解为弹性应变梯度Fe和塑性应变梯度Fp：
F＝FeFp，
弹性应变为：
εe＝C-1:σg，
其中，εe为弹塑性本构方程中的弹性应变，σg为作用在晶粒中的应力张量，C-1为材料弹性张量；
弹性应变εe为：
其中，Fe为弹性应变梯度，I为单位矩阵；
每个晶粒的塑性应变梯度为：
Fp为塑性应变梯度；Pα为第α滑移系的方向因子张量，为第α滑移系的剪切应变率；
其中，Pα为第α滑移系的方向因子张量，mα为第α滑移系滑移方向的单位矢量，nα为其滑移面法向的单位矢量；
每个潜在滑移系的切变量为：
其中，为第α滑移系的剪切应变率；T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，Bα为第α滑移系的背应力，Sα为第α滑移系的滑移阻力，τα为第α滑移系的分解切应力，F0为热激活位错越过障碍的激活能，τ0、p、q为材料常数，γ0为临界剪切应变率；
其中，第α滑移系的分解切应力τα表示为：
其中，其中，Fe为弹性应变梯度，mα为第α滑移系滑移方向的单位矢量，nα为其滑移面法向的单位矢量，T*是第二Piola-Kirchoof应力；
其中，第α滑移系的滑移阻力Sα为：
hαβ＝hs[w+(1-w)δαβ]，
其中，Sα为第α滑移系的滑移阻力，hαβ为滑移硬化矩阵，hs为静态硬化模量，w代表晶格硬化率，δαβ代表克罗内克函数，s0、Ssat为传统晶粒尺寸对应的初始滑移阻力和饱和滑移阻力，S0为多尺度的初始滑移阻力参数，ks为霍尔佩奇系数，d为晶粒尺寸；Sβ为在第β滑移系的滑移阻力；
每个滑移系的背应力为：
其中，hb代表硬化率，代表参考硬化率，kb、rD为材料参数，dn为当前计算晶粒的周围晶粒平均尺寸；
所述S3步骤包括：
步骤S31：通过ABAQUS的脚本程序生成所需预测的材料的微观结构的ABAQUS的有限元模型；
步骤S32：计算有限元模型中每个晶粒的面积，换算成当量圆直径作为晶粒尺寸d，结合根据实验生成的晶粒取向，晶粒的取向参数采用三个欧拉角φ、/>表示，赋予到ABAQUS的材料参数模块。
2.根据权利要求1所述的考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，拟合得到的参数组包括下列材料参数：弹性模量E，泊松比v，临界剪切应变率相互作用硬化模量kb,参考应变模量/>动态回复常数rD，参考滑移阻力常数hs，初始滑移阻力s0，霍尔佩奇系数ks，材料参数：m、A、B、ε0、p、q和w。
3.根据权利要求1所述的考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：通过试参法获得金属材料的多组不同的均匀微观结构的ABAQUS有限元模型各自的拉伸曲线的模拟结果，直至拉伸曲线的模拟结果与金属材料的多种不同的微观结构的拉伸试验所得的拉伸曲线有较好的拟合程度，从而获取所需的参数组。
4.根据权利要求1所述的考虑晶粒尺寸的金属强韧性能预测方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
步骤S41：对步骤S3生成的有限元模型施加周期性边界条件；
步骤S42：结合所述步骤S1中的损伤模型、用户子程序UMAT的本构模型和步骤S2的参数组，通过ABAQUS软件计算得到材料的力学性能。
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