亚微米尺度位错主导的晶体材料力学行为研究

旨在揭示亚微米尺度下基于位错运动的单晶材料塑性变形反常规现象，如尺度效应、温度效应、时空不连续，工作硬化的机理，研究位错匮乏及高温下的位错湮灭与增殖机制，位错连接的形成和破坏等位错演化过程，将离散位错行为研究从定性扩展到定量描述，得到应变率、温度和尺度共同影响下的微纳米单晶塑性变形规律，建立亚微米尺度位错主导的晶体塑性理论模型，以期实现工业应用的微尺度单晶材料塑性变形行为预测。在研究中以典型的面心立方和体心立方单晶材料为主要对象，以微柱和微颗粒压缩、微梁弯曲和压缩为主要载荷形式，实验设计着重于考查塑性流变的不连续性，进而提高小尺度晶体材料加工和实验的可控性。发展跨纳米/亚微米/微米的多尺度计算方法，实现位错动力学与有限元自然耦合，考虑实际边界条件，过渡到微米尺度的连续介质力学模型。本项目融汇固体力学、计算力学、实验力学和金属材料科学等多个学科，属于力学前沿领域的应用基础研究。

在亚微米尺度下，晶体材料的屈服强度和流动应力呈现出显著的“越细越硬”的尺寸效应；材料的塑性变形过程不再光滑连续，呈现出间歇突跳特征；亚微米单晶在经历低幅循环载荷作用后，表现出位错密度逐渐降低的机械退火现象。然而，在传统的塑性理论中，本构模型不含任何尺度参数，无法预测尺度效应。应变梯度塑性理论能够考虑尺度的影响，其实质是基于位错分布的Taylor硬化律，只能处理10微米至1000微米的细观尺度问题。这些晶体材料塑性行为随尺度变化的现象引起了国内外力学和材料学者的广泛关注。基于透射电子显微镜下的纳米力学实验，分子动力学和位错动力学与有限元耦合的多尺度计算，我们对亚微米尺度单晶体的塑性变形行为进行了深入系统的研究。提出了基于离散位错运动的三维位错动力学与有限元耦合理论模型和计算方法，数值模拟了离散位错形核、滑移和攀移，揭示了位错逃逸引起的单晶柱反常塑性本构和单臂位错源主导的亚微米柱有限变形塑性机制。发展了基于连续化描述的晶体塑性计算方法和高阶应变梯度塑性理论模型。取得了一系列原创性的学术成果：.(1)提出了离散-连续晶体塑性的应变局部化理论模型，发展了三维位错动力学与有限元耦合计算方法，可准确捕捉镜像力，高度局部化变形和滑移系的转动。.(2)揭示了亚微米单晶柱中单臂源主导的尺寸效应、应变突跳现象和应变硬化机制；建立了考虑单臂源机制的位错密度演化方程和基于统计的理论模型，可方便的预测单臂源主导的力学响应。.(3)揭示了含涂层亚微米单晶柱中截获位错密度的演化规律，以及背应力与截获位错密度的线性关系；建立了考虑背应力效应和涂层钉扎效应的单臂源开动应力公式，发展了预测含涂层单晶柱力学响应的理论模型。.(4)提出低应变幅循环加载用于原位诊断、消除微纳尺度单晶体内缺陷的技术。提出了亚微米单晶体的循环滑移不可逆性模型，揭示了其对位错匮乏现象的主导作用，据此建立理论模型成功预测了位错匮乏的临界条件。.(5)在连续介质理论框架下引入实验和位错动力学模拟结果，建立了位错机制的晶体塑性理论模型，揭示了从微米到亚微米的三个尺寸效应机制。.(6)建立了亚微米单晶压缩失稳的理论和数值模型，提出了单晶金胞中位错环的发射判据。另外，建立了基于点缺陷扩散理论的位错攀移模型。.(7)揭示了锡和镁晶体的新的塑性变形机制。并提出了亚微米尺度单晶铝的变形可控指数。