晶體材料循環(huán)變形的微尺度效應及其離散位錯模擬.pdf

1、近年來，微納米科技方興未艾。各種微結構器件、微機械電子、微機電系統(tǒng)（MEMS）相繼出現(xiàn)并得到廣泛應用。在各種微機電系統(tǒng)中，各種構件的特征尺度與晶粒尺度處在同一量級，由于微幾何及微結構約束，材料的力學行為呈現(xiàn)強烈的微尺度效應。另一方面，服役中的微構件通常承受循環(huán)載荷作用?；趥鹘y(tǒng)尺度無關本構理論的疲勞強度設計和壽命預測方法將不再適用。因此，對微尺度下多晶材料的循環(huán)塑性行為及其內在機理進行研究，不但具有重要的理論意義而且具有實際工程價值。針

2、對此問題，本文進行了如下研究：
　　 (1)基于二維離散位錯動力學，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。重點研究了不同循環(huán)載荷下尺度效應的內在機制。結果表明：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。但是，兩種載荷下尺度效應的內在機制是不同的。當試樣受循環(huán)拉壓載荷時，“位錯饑餓機制”起主導作用；當試樣受循環(huán)彎曲載荷時，“幾何必需位錯機制”起主導作用。當試樣承受拉彎組合載荷作用時，循環(huán)彎矩-轉角響

3、應呈現(xiàn)明顯的尺度效應；但是，拉壓循環(huán)載荷下，應力-應變響應呈現(xiàn)較弱甚至沒有尺度效應。
　　 (2)在多晶體中，晶界的位錯可穿透性對循環(huán)塑性變形起著十分重要的作用?；谖诲e-晶界交互作用模型，擴展了二維離散位錯動力學計算框架。在此基礎上，通過離散位錯模擬，探討了位錯與晶界相互作用對多晶循環(huán)塑性行為的影響及其內在機制。模擬結果表明：循環(huán)變形行為與晶界相對于位錯的可穿透性密切相關。對于位錯不可穿透晶界，循環(huán)應力應變響應不存在循環(huán)硬化現(xiàn)

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