多晶金属材料动态力学行为的位错动力学塑性模型

The developing defense weapon systems require higher dynamical property of materials. Under dynamical loadings, the mechanical behavior and deformation mechanism of materials are different from those under static loadings, and thus traditional phenomenal constitutive models fail to handle them. It is important to develop the dynamical plastic models based on the microstructure evolvement. Current project aims at the dynamical property of polycrystalline materials by discrete dislocation dynamics (DDD). Firstly, we simulate and analyze the interaction between dislocations and grain boundary (GB) under dynamical loadings using molecular dynamics and electron microscopy to establish a theoretical GB model. Then by introducing the theoretical model and dynamical finite element method into the DDD framework, we develop multiscale simulation software that effectively deals with the GBs and dynamical effects, so as to explore the dynamical property and microstructure evolvement. The formation mechanism of the dislocation cells will be studied, as well as their relationship with the grain size, strain rate and macro property. The influence of grain size and strain rate on the dynamical property will be investigated. We also reveal the opposite rate sensitivities in the face-centered cubic and body-centered cubic crystals. The relationship among dislocation and GB, strain rate and macro property will be established, to develop a plastic model for the dynamical property of polycrystalline materials. Current project will provide theoretical guidance to improve the dynamical property and design the microstructure of polycrystalline materials.

飞速发展的国防武器系统对材料动态性能提出了更高的要求。动载下材料力学行为及变形机制与静载下有根本性的差异，传统的唯象本构模型难以胜任，故亟需发展基于微结构演化的动态塑性模型。本项目拟开展多晶金属材料动态力学行为的位错动力学塑性模型研究。首先运用分子动力学与电子显微镜，全面地模拟与分析动载下晶界与位错的交互作用，建立晶界的强化模型，并在离散位错动力学框架中实现。再通过引入动态的有限元程序，开发能有效处理晶界与动态效应的多尺度模拟软件，以探索材料的动态性能与微结构演化。研究动载下位错胞的形成机理及其与晶粒尺寸、应变率及宏观性能之间的物理联系；揭示晶粒尺寸、应变率对材料动态强度的影响；探索面心与体心立方材料中相反的率敏感规律；进而建立晶界与位错―应变率―宏观性能三者的内在物理关联，发展基于微结构演化的动态塑性模型。最终为改善材料的动态力学性能、优化和设计材料微结构提供坚实的理论依据。

飞速发展的国防武器系统对材料动态性能提出了更高的要求。动载下材料力学行为及变形机制与静载下有根本性的差异，传统的唯象本构模型难以胜任，故亟需发展基于微结构演化的动态塑性模型。本项目针对材料的动态力学性能和微观变形机制开展了系统研究，取得了若干创新性成果：（1）提出了位错-晶界和位错-孪晶界相互作用算法，开发了胜任晶界和孪晶界的位错动力学模拟程序，用于模拟材料在动态载荷下的界面强化机制；（2）研究了高应变率下的位错演化机制，重点在高应变率下的位错胞研究，并揭示了位错胞的形成机理；（3）基于材料在动态载荷下的力学响应和微观变形机制，结合材料塑性变形本构关系和Taylor模型，本项目提出了描述材料强度、位错密度、应变率和位错运动性的本构模型，此模型与本项目大量的位错动力学、分子动力学以及先前的实验研究吻合很好。研究成果在材料动态力学性能领域引起重要的学术影响，在国内外重要学术期刊和学术会议发表论文18篇，其中JMPS论文1篇、IJP论文3篇、Acta Materialia论文1篇、Computational Materials Science论文2篇、固体力学学报论文2篇。所发论文得到广泛引用，其中一篇IJP论文2018年至今已被引用43次，并被国际同行称为至今最为重要的模拟（Fan et al. (2018) provide the most in depth simulation study on the phenomenon to date）。项目组成员入选了国家级人才计划和德国洪堡学者，参加学术交流50人次，做邀请报告11场。本项目培养研究生6名，其中1名入选日本JSPS研究员、2名获省力学学会学术交流会学生竞赛组二等奖；本科生7名，其中2名获四川大学本科优秀毕业论文。