基于應(yīng)變梯度塑性理論的微納米尺度材料力學(xué)行為研究.pdf

1、微納米尺度下，材料力學(xué)行為是尺度相關(guān)的。材料中各種內(nèi)界面對(duì)變形的約束是導(dǎo)致微尺度效應(yīng)的主要來源之一。當(dāng)內(nèi)界面約束導(dǎo)致的非均勻變形場(chǎng)的“特征波長(zhǎng)”和材料的“內(nèi)稟長(zhǎng)度”在同一量級(jí)時(shí)，微尺度效應(yīng)不可忽略。內(nèi)界面約束行為及其尺度效應(yīng)機(jī)理是當(dāng)前微塑性力學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)之一，具有重要的理論價(jià)值。一方面，應(yīng)變梯度理論可以很好地捕捉變形場(chǎng)非均勻性對(duì)材料力學(xué)行為的“附加強(qiáng)化”效應(yīng)，但對(duì)材料中各種內(nèi)界面約束的處理一直不理想，將它們用于研究由材料內(nèi)界面約束導(dǎo)

2、致的微尺度效應(yīng)時(shí)存在局限。因此，有必要針對(duì)材料不同的內(nèi)界面，在高階應(yīng)變梯度框架下發(fā)展相應(yīng)的界面模型，以合理地刻畫與內(nèi)界面有關(guān)的材料變形行為及其微尺度機(jī)理。另一方面，現(xiàn)有的應(yīng)變塑性梯度理論多是唯象的，缺乏對(duì)材料塑性變形時(shí)微結(jié)構(gòu)演化和微觀變形機(jī)制的深入考慮，理論模型中非常重要的內(nèi)稟材料長(zhǎng)度和微觀應(yīng)力平衡條件往往缺乏明確的物理意義?；谒苄宰冃蔚奈诲e(cuò)機(jī)制，發(fā)展新的高階應(yīng)變梯度理論一直是學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)，也是難點(diǎn)。針對(duì)上述兩個(gè)方面的問題，本文開展了

3、一些積極的探索，主要研究?jī)?nèi)容和取得的創(chuàng)新性成果如下：
　　 ⑴針對(duì)微納米材料的變形特點(diǎn)，在高階應(yīng)變梯度塑性框架下，提出了三種內(nèi)界面模型。單晶微柱壓縮變形時(shí)，塑性滑移層先后屈服，內(nèi)界面是處于不同變形狀態(tài)的薄層之間的過渡面。雙晶微柱中晶界作為阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的內(nèi)界面，在應(yīng)變梯度框架中賦予其界面能，從而有自己獨(dú)立的屈服準(zhǔn)則。納米多晶材料，晶界體積分?jǐn)?shù)占較大比例，因此作為單獨(dú)的材料相進(jìn)行處理，有自己獨(dú)立的平衡方程和本構(gòu)關(guān)系。
　　

4、⑵基于應(yīng)變梯度微柱薄層模型，分析了單晶微柱壓縮中出現(xiàn)的“應(yīng)變陡增”現(xiàn)象。研究表明：高階應(yīng)力在相鄰塑性薄層界面處是連續(xù)的，但在彈性薄層與塑性薄層間的界面處是不連續(xù)的；因此，在先后屈服的相鄰薄層界面處高階應(yīng)力存在跳躍，由此導(dǎo)致了微柱壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線上“應(yīng)變陡增”臺(tái)階的出現(xiàn)。另一方面，單晶微柱壓縮實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線有較大的分散性，本文的應(yīng)變梯度微柱薄層模型合理地預(yù)測(cè)了應(yīng)力-應(yīng)變曲線的上下界。
　　 ⑶在高階應(yīng)變梯度框架下，將晶界作為

5、材料內(nèi)部的不連續(xù)面并被賦予晶界能，提出了具有界面能特性的內(nèi)界面梯度理論模型。通過對(duì)雙晶微柱壓縮力學(xué)行為的分析，結(jié)果表明：該界面模型不僅能給出與實(shí)驗(yàn)符合良好的微柱壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，而且還發(fā)現(xiàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線中“兩個(gè)拐點(diǎn)”分別對(duì)應(yīng)于晶粒和晶界屈服，從而從內(nèi)在物理機(jī)理上對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線三階段特征進(jìn)行了解釋。
　　 ⑷針對(duì)納米多晶材料，將晶界作為與晶粒內(nèi)部同等地位的“材料相”，提出了考慮有限厚度內(nèi)界面的梯度理論模型。在該模型中，晶界相不

6、僅可以是多晶材料塑性變形的障礙，也可以是塑性變形的通道。通過對(duì)多晶材料行為的分析，結(jié)果表明：有限厚度的內(nèi)界面梯度模型不僅較好地描述了納米多晶材料Hall-Petch和反Hall-Petch效應(yīng)，而且還給出了從Hall-Petch效應(yīng)過渡到反Hall-Petch效應(yīng)時(shí)的臨界晶粒尺寸。
　　 ⑸基于位錯(cuò)自能和相互作用能，在熱力學(xué)框架下建立了功共軛的高階應(yīng)變梯度晶體塑性模型。通過簡(jiǎn)單的位錯(cuò)環(huán)構(gòu)型，建立了鏡像力、自力與位錯(cuò)自能演化，以及