多晶金屬棘輪行為的微觀機(jī)理及相關(guān)本構(gòu)模型研究.pdf

1、棘輪效應(yīng)是材料或結(jié)構(gòu)在非對稱應(yīng)力控制循環(huán)載荷下產(chǎn)生的一種塑性應(yīng)變的累積現(xiàn)象。棘輪變形的產(chǎn)生將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形超限或者疲勞壽命降低而不能正常工作，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測時(shí)予以重點(diǎn)考慮。近30年來，國內(nèi)外的許多學(xué)者對金屬材料的棘輪行為開展了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究和理論描述。然而，絕大部分的研究都是宏觀實(shí)驗(yàn)研究和基于宏觀實(shí)驗(yàn)唯象地對棘輪行為進(jìn)行理論描述，很少涉及到不同晶體結(jié)構(gòu)材料棘輪變形的微觀機(jī)理以及基于微觀機(jī)理的本構(gòu)模型研究。由于沒有考慮棘輪變形的

2、微觀機(jī)理，目前已有的本構(gòu)模型都有各自的局限性，不能對棘輪行為進(jìn)行全面而準(zhǔn)確的描述，過多的材料參數(shù)也限制了此類本構(gòu)模型的工程應(yīng)用，仍需大力發(fā)展。為此，很有必要首先對材料在單軸和非比例多軸下棘輪變形的微觀機(jī)理進(jìn)行深入和系統(tǒng)的研究，獲得棘輪變形過程中微結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，揭示材料棘輪變形的微觀機(jī)理，進(jìn)而建立基于微觀機(jī)理的、全新的循環(huán)本構(gòu)模型，提高對金屬材料棘輪行為的預(yù)測能力。
　　為了對不同晶體結(jié)構(gòu)的多晶材料的棘輪變形微觀機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的研究

3、和建立基于微觀機(jī)理的循環(huán)本構(gòu)模型，本論文開展了以下研究工作:
　　1.室溫下，對兩種多晶材料（面心立方低層錯(cuò)能的316L不銹鋼和體心立方高層錯(cuò)能的20碳鋼)開展了系統(tǒng)的單軸、非比例多軸應(yīng)變控制和非對稱應(yīng)力控制循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究。討論了兩種材料的應(yīng)變循環(huán)特性、應(yīng)力水平和加載路徑對棘輪變形的影響，同時(shí)為研究棘輪變形微觀機(jī)理的微觀實(shí)驗(yàn)觀察提供了試樣以及為基于微觀機(jī)理的本構(gòu)模型的研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　2.在宏觀實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對同一加

4、載工況下不同循環(huán)周次的一組試樣，通過透射電子顯微鏡觀察了棘輪變形不同階段材料內(nèi)部典型的位錯(cuò)亞結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律。通過與單軸拉伸和對稱應(yīng)變循環(huán)過程中材料內(nèi)部位錯(cuò)組態(tài)及其演化的對比，對兩種材料的單軸、非比例多軸棘輪變形的微觀機(jī)理進(jìn)行了定性的解釋。這部分研究工作對比了兩種不同晶體結(jié)構(gòu)多晶材料棘輪變形的微觀機(jī)理，得到了一些對于揭示立方晶體多晶材料棘輪變形微觀機(jī)理有用的結(jié)論，同時(shí)給建立基于位錯(cuò)機(jī)制的棘輪本構(gòu)模型提供了物理基礎(chǔ)。
　　3.在循環(huán)

5、變形的宏觀實(shí)驗(yàn)結(jié)果和微觀機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，引入了棘輪變形的位錯(cuò)機(jī)制，在小變形晶體塑性框架下，改進(jìn)和發(fā)展了一個(gè)新的晶體塑性循環(huán)本構(gòu)模型，對兩種多晶材料的棘輪行為進(jìn)行了模擬和預(yù)測。模型中引入了修正的與位錯(cuò)演化相關(guān)的Armstrong-Frederick非線性隨動(dòng)硬化演化率，同時(shí)采用與位錯(cuò)短程交互作用相關(guān)的臨界剪應(yīng)力來描述各項(xiàng)同性硬化。新發(fā)展的模型能對面心立方316L不銹鋼和體心立方20碳鋼的單軸和非比例多軸棘輪行為進(jìn)行合理的描述;同時(shí)模型的