微尺度金属材料循环扭转变形行为实验研究与分析

The failure of micro-sized components in their service is usually due to cyclic loads on them, the study on their cyclic deformation behaviors has become a significant frontier problem in mechanics and material science. In the proposal program, we plan to focus on studying the size effects, abnormal Bauschinger effect, cyclic hardening or softening and ratcheting effect of micro-sized metallic wires experimentally and numerically. On the experimental side, we plan to develop a cyclic torque meter with high-sensitivity and wide measurement range for the self-developed micro-tension and micro-torsion platform. And the cyclic deformation behaviors of metal wires with diameters in the range 10-100μm will be subsequently studied with the platform. On the numerical side, we plan to develop the finite element implementations for the strain gradient plasticity theories to analyze the cyclic deformation behaviors of micro-sized metal materials, in which the intrinsic material length scales are determined by micro-torsion test. The validity of the existing constitutive relations will also be assessed by comparing with experimental results. Moreover,we have obtained some valuable experimental results in the cyclic torsion of micro-sized metal wires through initial exploration, which has laid a solid foundation for this proposal program.

服役中的各种微构件通常因承受循环应力作用而失效, 对其循环变形行为的研究已成为力学与材料科学领域的前沿科学问题。本项目拟采用以实验研究为主数值分析为辅的研究方法，重点对微米级金属丝循环变形中的尺度效应、反常包辛格效应、循环硬化与软化以及棘轮效应进行深入研究。在实验技术方面，拟研制一套具有高灵敏度和宽量程特点的循环微扭矩传感器，在自行研制的微拉伸-微扭转实验平台上实现循环扭转功能，对10-100μm直径范围金属丝的循环变形行为进行实验研究。在数值分析方面，拟发展基于不同应变梯度塑性理论的有限元框架，采用微扭转实验确定本构模型中的内禀材料长度，对微尺度金属材料的循环变形行为进行有限元分析，对比并验证现有本构模型的有效性。课题组对循环微扭转实验已经进行了初步探索，获得了一些有价值的实验结果，如目前国内外首个细铜丝多循环扭转实验结果，这些工作为本项目的顺利开展奠定了坚实基础。

在微纳米尺度下，金属材料的弹塑性力学行为与宏观尺度相比表现出明显的差异。本项目对微尺度金属材料的力学性能表征方法、循环/单向变形行为等进行了深入研究。创新性成果包括：(1) 基于扭秤/扭摆原理，提出了两种测量单纤维扭转力学性能的方法，并成功研制了相应的实验装置。该装置可同时实现微尺度材料的单向和循环扭转测试，其扭矩分辨力在 量级。(2) 对微米尺度多晶铜丝和金丝进行了循环扭转测试，结果表明：微米尺度金属丝在循环扭转塑性变形时，不仅具有尺度效应，还表现出强烈的Bauschinger效应和异常的塑性恢复现象，即反向的塑性流动在卸载时就开始发生。基于Fleck-Willis理论框架，提出了一个同时包含耗散和储能材料长度参量的非局部随动强化模型，能够描述上述实验现象。以通过热处理后具有不同内部晶粒尺寸直径为20, 50μm的金丝为研究对象，采用微扭转和微拉伸实验，研究了应变梯度效应和Hall-Petct效应对金属丝力学性能的影响，发现二者存在竞争关系。(3) 对复杂应力情形下的位错塞积行为进行了分析，推导了一个可以预测微尺度多晶材料非均匀变形尺度效应的应力梯度塑性律；将该塑性律引入到CMSG低阶应变梯度理论框架，提出了一种应力梯度塑性连续介质理论。该理论能够预测微扭转和微弯曲实验中的尺度效应。(4) 基于应变梯度弹性理论/偶应力理论，对微构件的尺度效应进行了系统的理论研究与计算分析。对微尺度单元(微梁、微板、微壳等)的静、动态力学行为进行了系统研究，给出了不同边界条件下的解析解。在数值模拟研究方面，构造了几种新的结构单元，如非局部梁单元和板单元等。.在项目执行期间，在国际SCI期刊上发表论文27篇，获发明专利2项；参加学术会议18人次。培养了30岁以下的青年教师1名；培养博士生5名，其中3名毕业，2名在读。