微尺度下材料循環塑性行為及其理論模型研究

《微尺度下材料循環塑性行為及其理論模型研究》是依託西南交通大學，由張旭擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：微尺度下材料循環塑性行為及其理論模型研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張旭
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

針對微尺度下材料循環塑性行為研究的不足，特別是表面和界面對微尺度循環塑性行為的影響，建立考慮表面效應和界面效應的離散位錯動力學模擬框架和應變梯度塑性理論模型，進而來研究微尺度下材料循環塑性行為的表面和界面效應。通過離散位錯動力學模擬，了解循環塑性變形過程中位錯微結構演化規律，並討論表面和界面對位錯微結構演化的影響，揭示循環塑性變形的微觀機理。基於離散位錯動力學模擬所揭示的位錯微結構演化規律，建立內稟材料長度和背應力演化方程與位錯微結構演化之間的聯繫，進而發展有物理基礎的應變梯度循環塑性本構理論.新發展的離散位錯動力學模擬框架和應變梯度塑性本構理論將用於材料循環塑性變形的包辛格效應、循環強化/軟化和棘輪效應的研究，並與現有的實驗進行對比。研究結果將會豐富微尺度下材料循環塑性行為的認識，具有重要的理論意義；也將用於微結構器件的性能最佳化、安全設計和壽命評估，具有廣闊的工程套用前景。

結題摘要

本項目通過離散位錯動力學模擬和應變梯度塑性理論兩種手段，來研究表面和界面對微尺度下材料循環塑性行為的影響。具體研究分下面三個部分開展： （1）表面/界面效應 材料的微尺度力學行為與巨觀尺度下有很大的不同，主要是由於微尺度下材料的表面和界面約束而引起的。雙晶壓痕的應變突跳現象通過含界面能的應變梯度塑性模型成功地得以解釋。通過離散位錯動力學模擬和應變梯度塑性理論分析了剛性晶界和柔性晶界對三晶材料力學回響的影響。納米孿晶材料的強韌行為通過考慮位錯機制的Voce模型很好地得以預測。 （2）應變梯度塑性理論中內稟長度尺度與微結構關聯 應變梯度塑性理論中內稟長度尺度的與材料微結構的關聯及其演化一直是學術界關注的焦點問題。雙晶的納米壓痕研究發現：內稟長度尺度和晶界能參數均與晶界前位錯塞積的長度成比例。三晶離散位錯動力學研究發現內稟長度尺度與控制材料塑性流動的微結構尺寸有關。細銅絲扭轉研究發現內稟長度尺度隨應變演化滿足冪律函式關係，並與影響材料微結構和延性有關的位錯特性，晶粒尺寸以及試樣尺寸等因素緊密相關。 （3）材料循環塑性行為及其本構理論描述 利用晶體塑性有限元研究了多晶銅的循環回響發現了循環硬化，包辛格效應和棘輪效應。細銅絲扭轉的循環實驗中觀察到的反常包辛格效應通過考慮背應力效應的應變梯度塑性本構模型得以成功預測。基於位錯的形核演化機制，建立了熱力學自洽的高階應變梯度循環塑性模型，同時賦予“內稟材料長度”和“背應力演化”以明確的物理意義。新建立的熱力學自洽高階應變梯度循環塑性模型與三維離散位錯動力學之間的內在關聯得以揭示。 綜上所述，項目在揭示材料的表界面效應，解決應變梯度本構模型中關鍵參數-內稟長度尺度的微結構關聯，以及建立基於物理機制，滿足熱力學自洽的應變梯度循環塑性本構模型等方面取得了預期的進展。