晶体材料循环变形的微尺度效应及其离散位错模拟

摘要

近年来，微纳米科技方兴未艾。各种微结构器件、微机械电子、微机电系统（MEMS）相继出现并得到广泛应用。在各种微机电系统中，各种构件的特征尺度与晶粒尺度处在同一量级，由于微几何及微结构约束，材料的力学行为呈现强烈的微尺度效应。另一方面，服役中的微构件通常承受循环载荷作用。基于传统尺度无关本构理论的疲劳强度设计和寿命预测方法将不再适用。因此，对微尺度下多晶材料的循环塑性行为及其内在机理进行研究，不但具有重要的理论意义而且具有实际工程价值。针对此问题，本文进行了如下研究：
　　 (1)基于二维离散位错动力学，研究了单晶薄梁在循环拉压载荷作用下的循环塑性响应。重点研究了不同循环载荷下尺度效应的内在机制。结果表明：在纯拉-压和纯弯曲循环作用下，单晶循环塑性呈现明显的尺度效应。但是，两种载荷下尺度效应的内在机制是不同的。当试样受循环拉压载荷时，“位错饥饿机制”起主导作用；当试样受循环弯曲载荷时，“几何必需位错机制”起主导作用。当试样承受拉弯组合载荷作用时，循环弯矩-转角响应呈现明显的尺度效应；但是，拉压循环载荷下，应力-应变响应呈现较弱甚至没有尺度效应。
　　 (2)在多晶体中，晶界的位错可穿透性对循环塑性变形起着十分重要的作用。基于位错-晶界交互作用模型，扩展了二维离散位错动力学计算框架。在此基础上，通过离散位错模拟，探讨了位错与晶界相互作用对多晶循环塑性行为的影响及其内在机制。模拟结果表明：循环变形行为与晶界相对于位错的可穿透性密切相关。对于位错不可穿透晶界，循环应力应变响应不存在循环硬化现象；而对于位错可穿透晶界，由于位错的不断累积及位错间交互作用不断增强，循环塑性响应呈现出明显的硬化现象并逐渐趋于循环饱和。除此之外，还对晶粒大小、应变幅大小及加载历史等因素对循环强化和循环饱和行为的影响进行了模拟分析。
　　 (3)基于元胞模型，采用双周期边界条件，对单晶及多晶材料在拉-压非比例载荷作用下的应力应变响应进行了离散位错模拟。结果表明：①无论是单晶还是多晶材料，其本构响应都呈现了明显的附加强化现象；②对于多晶材料，应力-应变响应虽然与所选取的元胞大小无关，但却与晶粒大小密切相关，存在明显的晶粒尺度效应；③在双向非比例载荷作用下，两个方向的载荷比对材料的塑性变形有重要影响，在不同载荷比下，多晶的循环塑性行为呈现出应变强化或应变软化现象；④与单向拉压载荷不同，非比例载荷作用下，多晶循环硬化行为不明显。