高应变率下纳米孪晶材料宏微观塑性本构理论与实验研究

As a kind of emerging materials in the material synthetic field，nano-twinned metals has become a new key research topic due to their excellent properties. At the same time, the research on their mechanical properties is also rising in the intersectional field of Mechanics and Materials Science. Since the bulk materials of nano-twinned metals foretell a wonderful potential engineering application, a systematical and in-depth research on constitutive modeling of bulk nano-twinned fcc metals will be carried out in this project by using macro-microscopic plasticity theory and impact dynamics experiments. Firstly, we will implement the dynamic measurements at high strain rates beyond 1000/s to get the experimental results of flow stress-strain curves. Then the evolution law of nano-twinned structure at high strain rates will be determined based on the micro-structural characterization on the sample deformed under high-strain-rates. A macro-nanoscopic constitutive model reflecting the size effects of nano-twins and grains can then be proposed. Finally, a macro-meso-nanoscopic plastic constitutive model is obtained through combining the macro-nanoscopic model with the traditional macro-mesoscopic model by multi-scale-coupled method.. In this proposal, the research related with mechanical experiments and theories focuses on the new-type metallic materials, so it is very prospective to obtain innovative experimental fruits and theoretical progress which can instruct and predict the engineering application of the new-type materials.

纳米孪晶材料作为材料制备领域的新兴材料，由于其优异的性能已成为当前国际材料领域的研究前沿，而对其力学性质的研究也正在力学-材料学科交叉领域迅速兴起。鉴于其块体材料预示出的十分有潜力的工程应用前景，本项目拟针对块体纳米孪晶FCC金属材料的动态强度与塑性行为，运用宏微观塑性理论并结合冲击动力学实验研究系统深入地开展一项本构建模工作，即首先开展该块体材料在1000/s以上高应变率条件下的动态力学性能测试并获取流动应力-应变实验曲线，然后基于变形试样内部微结构表征分析结果，获知纳米孪晶结构在高应变率变形下的演变规律，进而提出反映纳米孪晶/晶粒尺寸效应的宏-纳观本构模型。最后，通过多尺度耦合建模方法将之与传统的宏-细观本构模型结合起来，得到一种宏-细-纳观多尺度的塑性本构模型。本项目围绕新型金属材料开展力学实验和理论研究，将有望取得创新性的实验成果和理论突破，并预测和指导这一新材料的工程应用。

对于先进金属材料塑性变形过程及其失效分析，准确的本构描述至关重要。一般塑性变形本构关系就是建立流变应力随塑性应变、温度、应变率等状态变量的变化关系，以期反映材料的微结构特征与缺陷变化规律。传统的宏观唯象塑性本构关系以各向同性均匀材料为前提，不能反映材料微结构要素的各向异性、非均匀性和多尺度性等效应，也不适于金属材料强韧化以及多相金属材料的研究，因此，在连续介质框架内结合细观尺度下的位错力学分析，以及纳观结构特征，建立具有金属变形物理内禀的多尺度塑性本构关系十分必要。.纳米孪晶材料（nano-twinned materials）因其优异的性能已成为当前国际材料科学与力学交叉领域的研究热点之一。本项目拟针对块体纳米孪晶FCC金属材料的动态强度与塑性行为，运用宏微观塑性理论并结合冲击动力学实验研究系统深入地开展一项本构建模工作，即首先开展该块体材料在高应变率条件下的动态力学性能测试并获取流动应力-应变实验曲线，然后基于变形试样内部微结构表征分析结果，获知纳米孪晶结构在高应变率变形下的演变规律，进而提出反映纳米孪晶/晶粒尺寸效应的宏-纳观本构模型。最后，通过多尺度耦合建模方法将之与传统的宏-细观本构模型结合起来，得到一种宏-细-纳观多尺度的塑性本构模型。将可以预测和指导这一新材料的工程应用。.与此同时，纳米颗粒增强金属基复合材料（MMNCs）在要求轻质高强化结构材料的航空航天领域具有十分巨大的工程应用潜力和发展前景。本项目也进一步开展了该新型复合材料的强度及其加工方面的理论与模拟研究，具体研究对象包括了SiC/CNT/GNP几种不同纳米增强体的铝基复合材料，这一工作为此类先进材料早日进入我国航空工业实用阶段提供了必需的理论基础和技术支撑。