多晶金屬棘輪行為的微觀機理及相關本構模型研究.pdf

1、棘輪效應是材料或結構在非對稱應力控制循環(huán)載荷下產生的一種塑性應變的累積現(xiàn)象。棘輪變形的產生將會導致結構變形超限或者疲勞壽命降低而不能正常工作，需要在結構設計和壽命預測時予以重點考慮。近30年來，國內外的許多學者對金屬材料的棘輪行為開展了廣泛的實驗研究和理論描述。然而，絕大部分的研究都是宏觀實驗研究和基于宏觀實驗唯象地對棘輪行為進行理論描述，很少涉及到不同晶體結構材料棘輪變形的微觀機理以及基于微觀機理的本構模型研究。由于沒有考慮棘輪變形的

2、微觀機理，目前已有的本構模型都有各自的局限性，不能對棘輪行為進行全面而準確的描述，過多的材料參數(shù)也限制了此類本構模型的工程應用，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理進行深入和系統(tǒng)的研究，獲得棘輪變形過程中微結構的演化規(guī)律，揭示材料棘輪變形的微觀機理，進而建立基于微觀機理的、全新的循環(huán)本構模型，提高對金屬材料棘輪行為的預測能力。
　　為了對不同晶體結構的多晶材料的棘輪變形微觀機理進行系統(tǒng)的研究

3、和建立基于微觀機理的循環(huán)本構模型，本論文開展了以下研究工作:
　　1.室溫下，對兩種多晶材料（面心立方低層錯能的316L不銹鋼和體心立方高層錯能的20碳鋼)開展了系統(tǒng)的單軸、非比例多軸應變控制和非對稱應力控制循環(huán)實驗研究。討論了兩種材料的應變循環(huán)特性、應力水平和加載路徑對棘輪變形的影響，同時為研究棘輪變形微觀機理的微觀實驗觀察提供了試樣以及為基于微觀機理的本構模型的研究提供了實驗基礎。
　　2.在宏觀實驗的基礎上，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部典型的位錯亞結構及其演化規(guī)律。通過與單軸拉伸和對稱應變循環(huán)過程中材料內部位錯組態(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理進行了定性的解釋。這部分研究工作對比了兩種不同晶體結構多晶材料棘輪變形的微觀機理，得到了一些對于揭示立方晶體多晶材料棘輪變形微觀機理有用的結論，同時給建立基于位錯機制的棘輪本構模型提供了物理基礎。
　　3.在循環(huán)

5、變形的宏觀實驗結果和微觀機理研究的基礎上，引入了棘輪變形的位錯機制，在小變形晶體塑性框架下，改進和發(fā)展了一個新的晶體塑性循環(huán)本構模型，對兩種多晶材料的棘輪行為進行了模擬和預測。模型中引入了修正的與位錯演化相關的Armstrong-Frederick非線性隨動硬化演化率，同時采用與位錯短程交互作用相關的臨界剪應力來描述各項同性硬化。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行合理的描述;同時模型的