基于應(yīng)變梯度晶體塑性本構(gòu)理論的材料尺度相關(guān)力學(xué)行為研究.pdf

1、近年來，大量的實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)材料處于微米/亞微米量級(jí)時(shí)，材料表現(xiàn)出非常明顯的尺寸效應(yīng)，即材料尺寸越小，材料的宏觀力學(xué)性能越強(qiáng)。然而，傳統(tǒng)的基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)框架的相關(guān)本構(gòu)理論中不包含尺度參數(shù)，無法解釋這種尺度相關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。與此同時(shí)，在工業(yè)制造領(lǐng)域，人們迫切需要解決微米尺度材料的力學(xué)理論和計(jì)算模擬問題。因此，近年來，關(guān)于尺度效應(yīng)的研究一直是學(xué)術(shù)領(lǐng)域的熱門問題。
　　自從本世紀(jì)初，Cosserat提出了包含尺度參數(shù)的偶應(yīng)力理論之后，科學(xué)工

2、作者提出了眾多的應(yīng)變梯度理論來更精確地模擬小尺寸或者有較大應(yīng)變梯度材料的變形問題。眾所周知，晶體材料具有非常明顯的各向異性，這一特性對(duì)微尺度下金屬材料的宏觀力學(xué)性能有較大的影響（微米尺度下材料的晶粒個(gè)數(shù)非常有限）。傳統(tǒng)的晶體塑性理論能精確地表征晶體材料的這種各向異性，但該理論中并未包含尺度相關(guān)參數(shù)。因此，在傳統(tǒng)的晶體塑性理論的框架中引入應(yīng)變梯度和材料內(nèi)稟特征參數(shù)顯得尤為重要。其不僅可以完整地模擬微米尺度下晶體材料的各項(xiàng)異性，同時(shí)也考慮了

3、微尺度下材料的尺度效應(yīng)。
　　本文正是基于該出發(fā)點(diǎn)，發(fā)展了計(jì)算應(yīng)變梯度響應(yīng)算法，通過ABAQUS用戶子程序UMAT實(shí)現(xiàn)了在晶體塑性理論的框架下引入內(nèi)稟尺度參數(shù)來表征晶體材料在微米量級(jí)下的尺度效應(yīng)。并通過該修改后的本構(gòu)模型來模擬單晶Cu的微扭轉(zhuǎn)和微彎曲中的尺度相關(guān)力學(xué)響應(yīng)，以及多晶材料中宏觀力學(xué)性能與晶粒尺寸的Hall-Petch關(guān)系。同時(shí)，所開發(fā)的UMAT用戶子程序也能模擬含微孔洞、微增強(qiáng)顆粒、微纖維等的兩相材料的尺度相關(guān)力學(xué)響應(yīng)