纳米晶材料变形行为的微观力学分析

将纳米晶材料视为包括晶粒和晶界的两相复合材料.基于能量平衡概念推导出纳米晶材料的增量本构关系.最后将本文发展的模型用于纯铜的单轴拉伸实验,讨论了晶粒大小、形状和晶粒分布的影响,并将模型预测的结果和已有的实验结果进行比较.     

微纳米晶金属的应变率敏感性及应变硬化行为分析

基于亚微米、纳米晶粒组织塑性变形过程中多种变形机制(位错机制、扩散机制及晶界滑动机制)共存,建立了理论模型,用于定量研究亚微米、纳米晶粒组织的塑性变形行为.以铜为模型材料,计算分析了晶粒尺度、应变率以及温度对亚微米、纳米晶粒组织塑性变形行为的影响.结果表明:相比粗晶铜,亚微米晶铜表现出明显的应变率敏感性,并且应变率敏感系数随晶粒尺度及变形速率的减小而增大;同时,增大变形速率或降低变形温度都能提高材料的应变硬化能力,延缓颈缩发生,进而提高材料的延性.计算分析结果与实验报道吻合.     

梯度纳米晶NiTi形状记忆合金的超弹性和形状记忆效应相场模拟

通过建立考虑两个马氏体变体的二维相场模型,对梯度纳米晶镍钛(NiTi)合金系统的超弹性、单程和应力辅助双程形状记忆过程进行了模拟和预测.模拟结果显示: 在梯度纳米晶NiTi合金的超弹性过程中,较粗晶粒的区域保留了传统粗晶的马氏体相变和逆相变特征,即局部马氏体带的形核-扩展和缩减-消失, 而随着晶粒尺寸的减小,细晶粒区域表现为均匀相变的特点, 即无局部马氏体带产生; 此外,在超弹性和形状记忆过程中,马氏体相变和重取向都首先在较粗晶粒区域开始并逐步向细晶粒区域传播,而逆相变则相反.马氏体相变和重取向的逐步扩展使梯度纳米晶NiTi合金的应力-应变和应变-温度曲线呈现出“硬化状”,其可归因于纳米多晶NiTi合金中马氏体相变对晶粒尺寸的依赖性,即随着晶粒尺寸的减小, 相变或重取向壁垒逐渐增大,马氏体相变或重取向的形核、扩展越来越困难. 可见,梯度纳米晶结构具有比传统均匀晶粒尺寸NiTi合金更宽的相变应力区间、重取向应力区间和相变温度区间,可显著提高该合金非弹性变形的可控性.      

单晶与纳米多晶锡层裂的分子动力学研究

低熔点金属的层裂是目前延性金属动态断裂的基础科学问题之一。采用非平衡态分子动力学方法模拟了冲击压力在13.5～61.0 GPa下单晶和纳米多晶锡的经典层裂和微层裂过程。研究结果表明：在加载阶段,冲击速度不影响单晶模型中的波形演化规律,但影响纳米多晶模型中的波形演化规律,其中经典层裂中晶界滑移是影响应力波前沿宽度的重要因素;在单晶模型中,经典层裂和微层裂中孔洞成核位置位于高势能处;在纳米多晶模型中,经典层裂中的孔洞多在晶界（含三晶界交界处）处成核,并沿晶定向长大,产生沿晶断裂,而微层裂中孔洞在晶界和晶粒内部成核,导致沿晶断裂、晶内断裂和穿晶断裂;孔洞体积分数呈现指数增长,相同冲击速度下单晶和纳米多晶Sn孔洞体积分数变化规律一致;经典层裂中孔洞体积分数曲线的两个转折点分别表示孔洞成核与长大的过渡和材料从损伤到断裂的灾变性转变。     

纳米-Al2O3陶瓷粉末的预热爆炸压实实验研究

对纳米-Al2O3陶瓷粉末在预热温度为0.5Tm的条件下,以不同的爆炸压实压力实施了烧结实验。通过X射线衍射分析了烧结体的晶型,并用高分辨率扫描电子显微镜进行了微观组织观察。实验结果表明,纳米-Al2O3陶瓷粉末在爆炸压力为13.1 GPa时可得到晶粒间结合致密且晶粒度在100 nm左右的-Al2O3烧结体;而在爆炸冲击压力为9.35 GPa以下时,烧结体的晶型没有发生转变,仍然是-Al2O3晶型。     

考虑细观变形特征的镁合金宏观本构模型及数值模拟

为了能有效描述镁合金宏观各向异性塑性行为,考虑了滑移、孪生、去孪生三种细观变形模式的特点,给出了相应的硬化函数;根据VonMises屈服准则,发展了一种镁合金宏观本构模型及其迭代算法。模型将变形模式的开启与晶粒取向相关联,同时针对镁合金孪生变形时引起的晶粒重新定向问题,描述了一种晶向偏转的方法。在此基础上编写了ABAQUS/UMAT材料用户子程序;利用开发的本构模型,开展了单轴拉伸、单轴压缩、单轴循环拉压加载条件下镁合金塑性行为的数值模拟,并对随机织构下的镁合金板材轧制过程进行了有限元仿真实验。模拟结果表明:单轴拉伸、单轴压缩和循环加载情形下的镁合金宏观硬化行为与实验结果基本吻合;轧制后镁合金板材表现出了应力-应变不均匀特性,多晶织构演化结果与实验结果基本一致。说明文中所提出的宏观本构模型、晶向偏转模型能够有效描述镁合金的宏观塑性行为和织构演化。     

堆焊熔敷层表面纳米晶层摩擦磨损性能研究

用预压力滚压技术在堆焊修复层表面制备纳米晶层.利用TEM、SEM分析技术研究表面纳米晶层微观结构,利用CETR-3型多功能摩擦磨损试验机考察在干摩擦条件下堆焊层表面纳米晶层的摩擦磨损性能.结果表明堆焊修复层表面经表面纳米化处理后,表面形成厚度约为10μm(晶粒尺寸小于100 nm)的纳米晶层,最表面层平均晶粒尺寸约为10 nm.纳米压痕试验表明纳米晶层的硬度提高,最表面纳米晶层的硬度约为原始堆焊层硬度的3倍.与原始堆焊试样相比,表面纳米化试样的摩擦系数降低了10%,磨损体积降低了25%~30%左右.表面纳米化样品的磨损机制由原始堆焊层的磨粒磨损和黏着磨损转变为磨粒磨损,分析表明晶粒细化导致的高硬度、低塑性是摩擦磨损性能改善和磨损机制改变的主要原因.     

单轴压缩下微纳晶镍的孔洞演化模型

在含孔隙微纳晶材料受单轴压缩载荷下的大塑性变形中,由于孔洞与基体变形的不匹配,在孔洞周围将产生大量的几何必需位错,本文假设这些位错均匀地从孔洞表面向其内部发射,促使孔洞周围先产生局部非均匀变形,从而导致微纳晶镍试样内孔隙率的变化。基于这种假设本文首先建立了单轴压缩载荷下孔洞的演化发展模型,并用此模型预测了孔隙率的变化,将其与实验测定值进行了比较,结果表明孔洞演化发展模型具有一定合理性。在此基础上,讨论了固定孔隙率和演化发展的孔隙率对不同晶粒尺寸和不同应变速率下的纳晶镍试样力学行为的影响。     

电沉积方式对纳米晶钴镀层的结构和摩擦学性能影响研究

采用不同电沉积方式制备了不同结构和晶粒尺寸的纳米晶钴(Co)镀层.采用扫描电镜和X-射线衍射仪分别分析了镀层表面形貌、晶相结构与晶粒尺寸.采用MV-2T显微硬度计测试镀层的硬度.最后采用UMT-3M多功能摩擦磨损试验机对镀层的摩擦和磨损性能进行了评价,并用扫描电镜对其磨损表面进行了观察分析.结果表明:电沉积方式对制备的纳米Co镀层的晶相结构、晶粒尺寸、镀层形貌和摩擦磨损性能影响显著;采用双脉冲制备的纳米Co镀层具有最小的晶粒尺寸、最高的硬度及较好的耐磨性能;采用单双脉冲混合电镀制备的纳米Co镀层表面针孔孔洞直径最小,结构最致密,耐磨性能最好.这些研究结果说明可通过优化电沉积方式来提高镀层的结构致密性,改善其硬度和耐磨性能.     

CrMnFeCoNi纳米晶温度相关的拉伸行为研究

摘要：高熵合金是一种由多种主元元素组成的新型合金。实验研究表明等原子比CrMnFeCoNi高熵合金在低温下具有比室温更高的拉伸强度和断裂韧性。本文针对这一现象,利用分子动力学模拟对平均晶粒尺寸为6 nm的CrMnFeCoNi纳米晶在300、200和77 K下分别进行拉伸模拟。模拟研究揭示了纳米尺度CrMnFeCoNi高熵合金力学行为的温度效应和强韧机理。微结构演化分析表明：低温下,塑性变形阶段,滑移系开动的较少,位错滑移所受的阻力越大,屈服强度和抗拉强度越大;模型破坏时,孔洞缺陷形核较慢,更多孔洞缺陷演化成断口,更多的断口分摊拉伸应变,使得高熵合金纳米晶的低温韧性更好。     

铝合金LC4和LY12CZ应变率相关力学性能的实验研究

对国产铝合金LC4和LY12CZ进行了准静态和动态拉伸、压缩试验研究。应变率范围从2×10(-4)～1.4×10~3s~(-1)。实验表明:LC4和LY12CZ都是应变率不敏感材料,同时发现它们的压缩应力应变曲线高于拉伸应力应变曲线。本文根据实验结果分别建立起该材料的本构方程。     

均匀等轴细晶金属超塑性本构关系

本文根据超塑变形机理的金属学研究结果,应用细观力学方法建立了包括三种变形机制的均匀等轴细晶超塑性本构关系。该本构关系能解释超塑拉伸实验中观察到的基本实验现象:晶粒度、应变率对σ～、m～曲线形态的影响。     

Grain-boundary sliding and separation in polycrystalline metals: application to nanocrystalline fcc metals

In order to model the effects of grain boundaries in polycrystalline materials we have coupled a crystal-plasticity model for the grain interiors with a new elastic-plastic grain-boundary interface model which accounts for both reversible elastic, as well irreversible inelastic sliding-separation deformations at the grain boundaries prior to failure. We have used this new computational capability to study the deformation and fracture response of nanocrystalline nickel. The results from the simulations reflect the macroscopic experimentally observed tensile stress-strain curves, and the dominant microstructural fracture mechanisms in this material. The macroscopically observed nonlinearity in the stress-strain response is mainly due to the inelastic response of the grain boundaries. Plastic deformation in the interior of the grains prior to the formation of grain-boundary cracks was rarely observed. The stress concentrations at the tips of the distributed grain-boundary cracks, and at grain-boundary triple junctions, cause a limited amount of plastic deformation in the high-strength grain interiors. The competition of grain-boundary deformation with that in the grain interiors determines the observed macroscopic stress-strain response, and the overall ductility. In nanocrystalline nickel, the high-yield strength of the grain interiors and relatively weaker grain-boundary interfaces account for the low ductility of this material in tension.     

聊聊动态塑性和黏塑性

固体力学研究者致力于具有应力-应变本构关系（以下简称为形变型本构关系）的变形体的力学响应研究，而流体力学研究者致力于具有应力-应变率本构关系（以下简称为流动型本构关系）的流动体的力学响应研究。当涉及结构和材料的动态塑性时，到底应该用“塑性变形”还是“塑性流动”来表示？本文从宏观塑性本构理论和微观位错动力学机理两个角度，分别讨论并指出塑性本构关系属于流动型黏塑性率相关本构关系，且同时适用于加载和卸载；因而不应该用应力-应变图来描述塑性加-卸载过程。弹塑性本构关系则是一种形变型和流动型本构关系的耦合。     

基于SIR模型的工程材料统一单轴本构关系研究

工程材料的单轴应力-应变全曲线反映了材料最基本的本构关系,但目前对适用于多种材料的统一本构关系研究尚不够深入。本文基于传染病传播动力学SIR模型,建立了反映材料单元动态变化的应力-应变模型。根据同伦分析方法提出了模型的解析解和近似解,并讨论了模型反映材料尺寸效应和应变率的能力。结果表明,本文提出的单轴应力-应变模型中的参数可以与实际材料的力学特性相对应,模型解能够统一、全面、准确地反映多种材料力学性能的变化规律以及尺寸效应和应变率等因素的影响。     

Discrete dislocation plasticity analysis of the grain size dependence of the flow strength of polycrystals

The grain size dependence of the flow strength of polycrystals is analyzed using plane strain, discrete dislocation plasticity. Dislocations are modeled as line singularities in a linear elastic solid and plasticity occurs through the collective motion of large numbers of dislocations. Constitutive rules are used to model lattice resistance to dislocation motion, as well as dislocation nucleation, dislocation annihilation and the interaction with obstacles. The materials analyzed consist of micron scale grains having either one or three slip systems and two types of grain arrangements: either a checker-board pattern or randomly dispersed with a specified volume fraction. Calculations are carried out for materials with either a high density of dislocation sources or a low density of dislocation sources. In all cases, the grain boundaries are taken to be impenetrable to dislocations. A Hall–Petch type relation is predicted with Hall–Petch exponents ranging from ≈0.3 to ≈1.6 depending on the number of slip systems, the grain arrangement, the dislocation source density and the range of grain sizes to which a Hall–Petch expression is fit. The grain size dependence of the flow strength is obtained even when no slip incompatibility exists between grains suggesting that slip blocking/transmission governs the Hall–Petch effect in the simulations.     

硬化材料中弹塑性柱面波的数值方法

本文讨论了应变硬化材料中一种适宜于数值计算的增量型塑性应力应变关系,并以弹塑性柱面波的传播为例进行了数值分析,给出了一些有意义的结果。     

基于深度学习和细观力学的颗粒材料本构关系研究

颗粒材料的本构关系对岩土工程等众多领域至关重要. 不同于传统的唯象本构理论, 本文基于机器学习模型探索了一种细观力学理论指导下的数据驱动型颗粒材料本构关系预测方法. 根据Vogit均质化假设, 建立了小应变条件下颗粒材料应力?应变解析关系, 此关系唯一地确定了一组与颗粒材料本构行为相关的细观组构变量. 这些变量与反应颗粒材料宏观性质的主应力和主应变信息通过一系列离散元三轴压缩数值试验获得. 考虑到细观组构变量为内变量, 不能直接作为本构模型的输入. 本文基于有向图方法将颗粒材料微观结构信息隐式地包含在应力?应变的预测当中, 并采用门控循环单元(GRU)循环神经网络作为基础深度学习模型描述有向图中结点之间的映射关系. 通过将有向图从目标节点沿源节点展开, 整个应力?应变预测模型可由两个神经网络分别训练并组装而成. 将训练后的深度学习模型在全新的数据集上进行测试, 结果表明该训练策略能有效捕捉到颗粒材料在常规三轴任意加卸载, 等中主应力系数b的真三轴加载, 和等平均有效应力p的真三轴加卸载等复杂多轴加载工况下的应力?应变响应关系, 模型具有良好的内插和外推预测能力. 考虑到深度学习模型捕捉颗粒材料力学响应的能力及其开放式学习的特点, 充分结合数据驱动方法和理论本构模型可能是颗粒材料本构研究的一个重要方向.      

金属材料的强度与应力-应变关系的球压入测试方法

压入法获取材料单轴应力-应变关系和抗拉强度对服役结构完整性评价有重要的基础意义.假定材料均匀连续、各向同性、应力应变关系符合Hollomon律,基于能量等效假定,即代表性体积单元(representativevolume element, RVE)的vonMises等效和有效变形域内能量中值等效假定,本文提出了关联材料载荷、深度、球压头直径和Hollomon律的四参数半解析球压入(semi-analyticalspherical indentation,SSI)模型.通过球压入载荷-深度试验关系获得材料的应力-应变关系和抗拉强度.考虑压入过程中的损伤效应,针对金属材料提出了用于球压入测试的材料弹性模量修正模型.对11种延性金属材料完成了球压入试验,采用本文提出的球压入试验方法测到的弹性模量、应力-应变关系和抗拉强度与单轴拉伸试验结果吻合良好.