金属材料塑性变形位错机制的相场法研究

摘要

科学技术的进步与工程应用中的新材料及其新性能紧密相关。而材料的力学性能，如塑性、强度、韧性、抗疲劳等,则与其内在的微观结构有对应关系。近年来，基于材料设计的理念，涌现出系列材料计算方法，这些方法深入到微米甚至纳米尺度，把材料的微观结构与其宏观力学性能有效的联系起来，加深了对材料微观世界的了解，推动了固体微纳米力学的发展。如今，这些数值计算方法已经成为研究材料变形的重要手段。
　　金属材料的塑性变形主要由位错控制，包括位错滑移、不全位错分解、孪晶位错的形核与滑移、位错的交滑移、位错与其它缺陷的相互作用等。本文根据弹性力学和热力学建立相场模型，研究位错和孪晶这两种微结构在外应力场作用下的演化规律，以及这些演化规律与金属宏观塑性之间的联系。研究主要内容如下：
　　1、在面心立方（FCC）金属中，Shockley不全位错的演化对金属的塑性变形有着重要的影响。利用耦合了材料γ势的相场位错动力学模型，成功模拟了位错的演化过程，包括位错的分解，位错的形核与再组合过程。结果显示了平衡堆垛层错的带宽——领头不全位错与尾端不全位错的间隔——由位错滑移面的γ势和外界应力所决定。研究发现了位错的演化由两个非常重要的临界应力所控制，论文中将它们定义为奇应力和形核应力。堆垛层错的带宽随着外界应力的增加而加宽，当外界应力临近奇应力时，带宽趋于无穷大；当外界应力临近形核应力时，一个位错环自主的形核于堆垛层错上。特别的是，在数值仿真中观察到了一种新的应力-尺寸位错环形核机制：对某些堆垛能很高的 FCC金属，奇应力会明显大于形核应力，这时当外界应力超过形核应力（甚至超过两倍）时，嵌套的位错偶极子或者位错环能保持在亚平衡状态并抑制新的位错形核。
　　2、孪晶的增厚机制已经被学界频繁的研究，而其横向扩展的机理也渐渐引起学界的注意。最近，一些研究报道了镁的{1012}孪晶的峰前是由棱柱面和基底面及一个连接面构成，而峰前的移动性则控制着孪晶横向扩展的整个动力学特征。为了研究这些特性，论文中提出了一个基于连续介质力学的相场模型用以研究拉伸孪晶的动态平衡形状以及孪晶生长的动力学。为了描述孪晶界的各向异性由转角控制的性质，相场模型中引入了一种新的表面自由能形式，数值仿真成功的模拟了孪晶界的偏折现象，而研究结果表明孪晶界的各向异性是这种偏折现象形成的主要原因。为了研究孪晶界的力学平衡及运动特性，基于构型力理论，推导出了一个广义的能量-动量张量；数值模拟证明了分布在偏折面上的构型力比其它孪晶界上的小，这暗示了孪晶的生长受益于偏折面的形成。数值模拟同时表明孪晶界的各向异性并不是孪晶具有大长细比特性的真正原因，孪晶生长的增厚机制与横向扩展机制之间的竞争关系才是决定孪晶大长细比的主因。
　　3、在体心立方（BCC）金属的non-Schmid塑性主要由a0/2<111>螺位错的形核和运动控制。论文中提出了一个连续介质模型并其相应的数值计算方法来研究该位错的鞍点构型和运动特征，重点讨论了在{111}面上的二维 Peierls势面和外界应力张量对该位错运动的影响。该模型联系了Landau的相变理论与传统的位错线张力模型，推导出了位错在不同的Peierls势下的几何构型，包括正弦势、Eshelby势、反抛物线势和双峰势。考虑螺位错在二维势表面的运动，精确确定了位错的三维扭对结构形态。在此之上，推导出一个参数化的本构方程用以描述流动应力的温度相关性，并与文献中的实验数据进行对比。对位错轨线进行分析，结果表明，与退化型位错芯结构不同，分解型位错芯结构无法与 BCC铁宏观的non-Schmid塑性对应起来。利用数值模型，在退化芯结构上成功模拟了孪生-退火孪生不对称及压-拉不对称等BCC铁的non-Schmid行为，为理论结果提供了佐证。

目录

声明

第 1章绪论

1.1 相场模型的历史和现状

1.2 相场理论与金属微观塑性变形

1.3 本文研究问题的背景及意义

1.4 本文研究的主要内容

1.5 本文研究的主要创新点

第 2章相场位错动力学

2.1 引言

2.2 Peierls-Nabarro位错模型

2.3 相场位错动力学

2.4 相场模型与PN模型的联系

2.5 FCC金属中位错在应力下的演化

2.6 本章小结

第 3章孪晶的相场研究

3.1 引言

3.2 孪晶形核的连续介质理论

3.3 孪晶的相场描述

3.4 数值计算及结果

3.5 本章小结

第 4章非弹性相场位错模型

4.1 引言

4.2 扭对的鞍点构型与能量

4.3 二维Peierls势函数

4.4 Non-Schmid塑性

4.5 流动应力的温度相关性

4.6 确定扭对形状的数值方法

4.7 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间发表的学术论文

附录B 攻读博士学位期间参加的主要科研项目

附录C 张量分析