韌性材料損傷的微尺度效應(yīng)及其機(jī)理.pdf

1、近年來，微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)快速發(fā)展，各種微器件、微機(jī)械的主導(dǎo)尺寸常常處在微米或亞微米量級。新近的一系列力學(xué)實(shí)驗(yàn)觀察、理論和數(shù)值分析表明：在微米或亞微米量級下，材料的力學(xué)行為呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的微尺度效應(yīng)?；趥鹘y(tǒng)尺度無關(guān)本構(gòu)框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法和安全評價(jià)體系面臨挑戰(zhàn)。因此。對材料和結(jié)構(gòu)中損傷的微尺度效應(yīng)開展深入、系統(tǒng)的研究，不僅具有重要的理論意義，而且具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。 本文運(yùn)用應(yīng)變梯度理論分析和動(dòng)態(tài)離散位錯(cuò)模擬兩種方法分別對微尺度

2、下韌性材料損傷的微尺度效應(yīng)及其機(jī)理進(jìn)行了較深入、系統(tǒng)的研究。主要工作有： 1、從應(yīng)變梯度理論和體胞模型出發(fā)，建立了尺度相關(guān)的含孔洞材料的塑性勢，并將著名的Gurson模型推廣到微尺度范圍。通過對含理想球形孔洞的軸對稱代表性胞元的分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：(1)在孔洞體積分?jǐn)?shù)一定的情況下，孔洞長大的速率低于尺度無關(guān)的Gurson模型預(yù)測的長大速率；(2)隨著孔洞半徑的減少，孔洞材料的屈服跡線逐漸向外擴(kuò)張，顯示出明顯的尺度效應(yīng)；在此基礎(chǔ)上，通

3、過數(shù)值積分給出了孔洞材料尺度相關(guān)的塑性勢。 2、基于SG應(yīng)變梯度形變理論和含孔洞的無限大體模型，研究了三軸應(yīng)力場中孔洞形狀效應(yīng)和尺度效應(yīng)對其長大的耦合作用。結(jié)果表明：(1)孔洞的長大是尺度相關(guān)的，且存在一個(gè)與遠(yuǎn)場應(yīng)力三維度和孔洞形狀無關(guān)的“孔洞臨界半徑”，當(dāng)微孔洞的等效半徑接近或小于臨界半徑時(shí)，孔洞難以通過塑性變形長大；(2)孔洞長大的尺度效應(yīng)和形狀效應(yīng)是相互耦合的，一般地，孔洞形狀越偏離理想球形，其長大的尺度效應(yīng)越明顯，此外，

4、這種耦合與遠(yuǎn)程應(yīng)力三維度密切相關(guān)。 3、基于SG應(yīng)變梯度理論，研究了顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料中顆粒的形狀和尺寸對其內(nèi)部及界面應(yīng)力分布的影響，結(jié)果有助于理解金屬基復(fù)合材料的微尺度增強(qiáng)機(jī)理。通過對三軸應(yīng)力下含橢球夾雜的無限大體邊值問題的分析，結(jié)果表明：(1)在微米尺度下，夾雜尺寸越小，夾雜/基體界面的法向應(yīng)力、剪切應(yīng)力和夾雜內(nèi)部主拉伸方向的應(yīng)力越高。(2)這種尺度效應(yīng)隨著遠(yuǎn)程應(yīng)力三軸度的減小和遠(yuǎn)場等效應(yīng)變的增加變得更為顯著。(3)為更加合適

5、的考慮基體/夾雜界面上的偶拽力平衡條件，本文引入了與尺度相關(guān)的界面能的概念，并進(jìn)一步分析了界面能對顆粒界面及其內(nèi)部應(yīng)力分布的影響。 4、開發(fā)了基于離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模擬的計(jì)算分析程序，研究了FCC單晶體內(nèi)含孤立孔洞的長大機(jī)理，結(jié)果有助于揭示不同大小孔洞長大機(jī)制的內(nèi)在差異。通過對平面應(yīng)變等軸拉伸載荷下無限大單晶體內(nèi)孔洞周圍的離散位錯(cuò)模擬，結(jié)果表明：(1)位錯(cuò)剪切環(huán)從位錯(cuò)源形核后，位錯(cuò)環(huán)擴(kuò)展并到達(dá)孔洞表面是單晶內(nèi)孔洞長大的重要機(jī)制；(2

6、)不同尺寸的孔洞呈現(xiàn)出不同的長大方式，當(dāng)孔洞較大時(shí)，孔洞的長大隨等效應(yīng)變光滑變化，但當(dāng)孔洞較小時(shí)，孔洞長大接近于線彈性的，且呈現(xiàn)出“蛙跳”式長大，造成這種差異的主要原因是，在不同大小的孔洞附近，位錯(cuò)的可動(dòng)性和位錯(cuò)源的可激活性不同；(3)在微米尺度下，特別是孔洞半徑足夠小時(shí)，孔洞長大的呈現(xiàn)出明顯的離散性，這些現(xiàn)象難以被高階連續(xù)理論所捕捉。 5、基于位錯(cuò)發(fā)射的Rice-Thomson模型，研究了不同大小、不同取向的橢圓孔洞表面的位錯(cuò)

7、發(fā)射及由此導(dǎo)致的孔洞長大機(jī)制。通過對單晶體中橢圓孔洞表面位錯(cuò)發(fā)射的分析得到：(1)存在一個(gè)臨界應(yīng)力，當(dāng)外載低于該臨界應(yīng)力時(shí)，孔洞表面基本不發(fā)生位錯(cuò)發(fā)射，孔洞難以長大，當(dāng)外載大于該臨界應(yīng)力時(shí)，孔洞表面發(fā)射位錯(cuò)并引起孔洞的突發(fā)性長大；(2)在納米量級下，橢圓孔洞位錯(cuò)發(fā)射的臨界應(yīng)力呈現(xiàn)出尺度效應(yīng)，孔洞的等效半徑越小，位錯(cuò)發(fā)射所需臨界應(yīng)力就越大，而在同一等效半徑下，橢圓孔洞的位錯(cuò)發(fā)射臨界應(yīng)力較圓孔洞小得多；(3)位錯(cuò)發(fā)射及由此引起的孔洞長大與橢

8、圓孔洞主軸的取向有很大關(guān)系。 6、基于二維離散位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)模擬方法，研究了無限大FCC單晶體內(nèi)微夾雜周圍的應(yīng)力場分布，討論了夾雜處孔洞形核的可能機(jī)制。通過對等軸拉伸載荷下含微夾雜的FCC單晶體的離散位錯(cuò)模擬得到：(1)由于基體/夾雜界面附近產(chǎn)生的位錯(cuò)障礙和位錯(cuò)塞積，基體/夾雜界面上出現(xiàn)一系列的應(yīng)力峰；(2)隨著夾雜半徑的減小，界面上應(yīng)力峰的數(shù)目和應(yīng)力峰值都不斷減小。這些結(jié)果表明，微尺度下，孔洞在基體/夾雜界面形核可能與界面上應(yīng)力峰