微尺度下材料循环塑性行为及其理论模型研究

Aiming at the research on cyclic plasticity behavior of materials at microscale is insufficient, especially the influence coming from the surface and interface of the materials, we will establish the discrete dislocation dynamics simulation framework and strain gradient plasticity model by considering the surface effect and interface effect, and then to study cyclic plasticity behavior of materials at microscale. Through the discrete dislocation dynamics simulation, we could explore the evolution of dislocation microstructure and the influence coming from the surface and interface, revealing the underlying deformation mechanism in cyclic plasticity. Based on the microstructure evolution information revealed by discrete dislocation dynamics simulation, we will establish a connection between the intrinsic material length, back stress evolution equations and the evolution of dislocation microstructure, and thus construct a strain gradient plasticity constitutive model with physical foundation. In the end, we will conduct the study on the cyclic plasticity behavior, such as Bauschinger effect, cyclic hardening/softening and ratcheting effect, by using the new updated discrete dislocation simulation framework and strain gradient plasticity model, and the results will then be compared with the existed experiments. The research will enrich the understanding of the cyclic plasticity behavior at microscale, having important theoretical significance; also will be used in the performance optimization, safety design and life evaluation of microstructural components, having broad prospects in engineering application.

针对微尺度下材料循环塑性行为研究的不足，特别是表面和界面对微尺度循环塑性行为的影响，建立考虑表面效应和界面效应的离散位错动力学模拟框架和应变梯度塑性理论模型，进而来研究微尺度下材料循环塑性行为的表面和界面效应。通过离散位错动力学模拟，了解循环塑性变形过程中位错微结构演化规律，并讨论表面和界面对位错微结构演化的影响，揭示循环塑性变形的微观机理。基于离散位错动力学模拟所揭示的位错微结构演化规律，建立內禀材料长度和背应力演化方程与位错微结构演化之间的联系，进而发展有物理基础的应变梯度循环塑性本构理论.新发展的离散位错动力学模拟框架和应变梯度塑性本构理论将用于材料循环塑性变形的包辛格效应、循环强化/软化和棘轮效应的研究，并与现有的实验进行对比。研究结果将会丰富微尺度下材料循环塑性行为的认识，具有重要的理论意义；也将用于微结构器件的性能优化、安全设计和寿命评估，具有广阔的工程应用前景。

本项目通过离散位错动力学模拟和应变梯度塑性理论两种手段，来研究表面和界面对微尺度下材料循环塑性行为的影响。具体研究分下面三个部分开展：.（1）表面/界面效应.材料的微尺度力学行为与宏观尺度下有很大的不同，主要是由于微尺度下材料的表面和界面约束而引起的。双晶压痕的应变突跳现象通过含界面能的应变梯度塑性模型成功地得以解释。通过离散位错动力学模拟和应变梯度塑性理论分析了刚性晶界和柔性晶界对三晶材料力学响应的影响。纳米孪晶材料的强韧行为通过考虑位错机制的Voce模型很好地得以预测。.（2）应变梯度塑性理论中內禀长度尺度与微结构关联 .应变梯度塑性理论中內禀长度尺度的与材料微结构的关联及其演化一直是学术界关注的焦点问题。双晶的纳米压痕研究发现：内禀长度尺度和晶界能参数均与晶界前位错塞积的长度成比例。三晶离散位错动力学研究发现內禀长度尺度与控制材料塑性流动的微结构尺寸有关。细铜丝扭转研究发现內禀长度尺度随应变演化满足幂律函数关系，并与影响材料微结构和延性有关的位错特性，晶粒尺寸以及试样尺寸等因素紧密相关。.（3）材料循环塑性行为及其本构理论描述.利用晶体塑性有限元研究了多晶铜的循环响应发现了循环硬化，包辛格效应和棘轮效应。细铜丝扭转的循环实验中观察到的反常包辛格效应通过考虑背应力效应的应变梯度塑性本构模型得以成功预测。基于位错的形核演化机制，建立了热力学自洽的高阶应变梯度循环塑性模型，同时赋予“内禀材料长度”和“背应力演化”以明确的物理意义。新建立的热力学自洽高阶应变梯度循环塑性模型与三维离散位错动力学之间的内在关联得以揭示。.综上所述，项目在揭示材料的表界面效应，解决应变梯度本构模型中关键参数-內禀长度尺度的微结构关联，以及建立基于物理机制，满足热力学自洽的应变梯度循环塑性本构模型等方面取得了预期的进展。