晶體材料循環(huán)變形的微尺度效應(yīng)及其離散位錯(cuò)模擬.pdf

1、近年來，微納米科技方興未艾。各種微結(jié)構(gòu)器件、微機(jī)械電子、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）相繼出現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用。在各種微機(jī)電系統(tǒng)中，各種構(gòu)件的特征尺度與晶粒尺度處在同一量級(jí)，由于微幾何及微結(jié)構(gòu)約束，材料的力學(xué)行為呈現(xiàn)強(qiáng)烈的微尺度效應(yīng)。另一方面，服役中的微構(gòu)件通常承受循環(huán)載荷作用?；趥鹘y(tǒng)尺度無關(guān)本構(gòu)理論的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和壽命預(yù)測方法將不再適用。因此，對(duì)微尺度下多晶材料的循環(huán)塑性行為及其內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行研究，不但具有重要的理論意義而且具有實(shí)際工程價(jià)值。針

2、對(duì)此問題，本文進(jìn)行了如下研究：
　　 (1)基于二維離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)，研究了單晶薄梁在循環(huán)拉壓載荷作用下的循環(huán)塑性響應(yīng)。重點(diǎn)研究了不同循環(huán)載荷下尺度效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制。結(jié)果表明：在純拉-壓和純彎曲循環(huán)作用下，單晶循環(huán)塑性呈現(xiàn)明顯的尺度效應(yīng)。但是，兩種載荷下尺度效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)制是不同的。當(dāng)試樣受循環(huán)拉壓載荷時(shí)，“位錯(cuò)饑餓機(jī)制”起主導(dǎo)作用；當(dāng)試樣受循環(huán)彎曲載荷時(shí)，“幾何必需位錯(cuò)機(jī)制”起主導(dǎo)作用。當(dāng)試樣承受拉彎組合載荷作用時(shí)，循環(huán)彎矩-轉(zhuǎn)角響

3、應(yīng)呈現(xiàn)明顯的尺度效應(yīng)；但是，拉壓循環(huán)載荷下，應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)呈現(xiàn)較弱甚至沒有尺度效應(yīng)。
　　 (2)在多晶體中，晶界的位錯(cuò)可穿透性對(duì)循環(huán)塑性變形起著十分重要的作用?；谖诲e(cuò)-晶界交互作用模型，擴(kuò)展了二維離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)計(jì)算框架。在此基礎(chǔ)上，通過離散位錯(cuò)模擬，探討了位錯(cuò)與晶界相互作用對(duì)多晶循環(huán)塑性行為的影響及其內(nèi)在機(jī)制。模擬結(jié)果表明：循環(huán)變形行為與晶界相對(duì)于位錯(cuò)的可穿透性密切相關(guān)。對(duì)于位錯(cuò)不可穿透晶界，循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)不存在循環(huán)硬化現(xiàn)

4、象；而對(duì)于位錯(cuò)可穿透晶界，由于位錯(cuò)的不斷累積及位錯(cuò)間交互作用不斷增強(qiáng)，循環(huán)塑性響應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的硬化現(xiàn)象并逐漸趨于循環(huán)飽和。除此之外，還對(duì)晶粒大小、應(yīng)變幅大小及加載歷史等因素對(duì)循環(huán)強(qiáng)化和循環(huán)飽和行為的影響進(jìn)行了模擬分析。
　　 (3)基于元胞模型，采用雙周期邊界條件，對(duì)單晶及多晶材料在拉-壓非比例載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行了離散位錯(cuò)模擬。結(jié)果表明：①無論是單晶還是多晶材料，其本構(gòu)響應(yīng)都呈現(xiàn)了明顯的附加強(qiáng)化現(xiàn)象；②對(duì)于多晶材料，應(yīng)