CMSG低阶应变梯度塑性理论的发展和应用

论文摘要

在经典塑性理论中不包含任何尺度参数,因此无法解释在微米和亚微米量级实验中发现的尺度效应。为了解决工程实践中遇到的日益增多的微尺度设计制造问题,同时为韧性材料的解理断裂提供一种合理的解释,人们建立了应变梯度塑性理论。本文在Huang等2004年提出的CMSG低阶应变梯度塑性理论的基础上,进行了一系列的理论探索和计算研究工作。1.推导了CMSG理论在混合硬化下的本构方程,考虑了背应力的影响。利用一阶非线性偏微方程的特征线方法,研究了混合硬化下CMSG理论在剪切和自重拉伸两个问题的解。求解得到了CMSG理论在这两个问题中的定解域,并指出了定解域会随着载荷的增大而逐渐变小,直到最后完全消失。如果想得到定解域以外区域上的解,就必须给出附加的非经典边界条件。这也是现在所有低阶应变梯度塑性理论所共有的问题。2.利用CMSG理论研究了微纳米压痕问题。结果表明:对于包含尺度效应的微压痕问题,压头角度的减小可以显著提高微压痕硬度,Nix-Gao模型能够很好地描述压头角度变化对微压痕硬度的影响。摩擦也会提高微压痕硬度,但提高的程度随压头角度的增加而逐渐减弱,对于Berkovich压头摩擦的影响已经可以忽略。正三棱锥压头和圆锥压头之间的等底面积等价原则已经不再适用,我们在有限元计算结果的基础上提出了两者之间新的等价原则——等角原则。通过引入最大几何必需位错密度的概念,我们改进了CMSG理论的有限元计算模型,计算结果与球形压头微米和纳米压痕实验数据都十分符合。最大几何必需位错密度并不是一个材料常数,其取值与材料属性和压头的几何形状都有关系。3.利用CMSG理论研究了平面应变I型稳态扩展裂纹问题。计算表明:虽然与MSG理论下的静止裂纹相比稍有下降,在裂尖附近应变梯度明显区域内的等效应力和分离应力都可达到相当高的水平,仍然明显高于HRR场。CMSG理论主导区内应力奇异性很高,达到甚至超过弹性场的平方根奇异性,且与塑性硬化指数无关。CMSG理论在扩展裂纹中的主导区比MSG理论在静止裂纹中要更小一些,且对远场应力强度因子不敏感。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 实验背景
• 1.1.2 工业发展的需求
• 1.2 应变梯度塑性理论的发展
• 1.2.1 早期的应变梯度塑性理论
• 1.2.2 基于位错理论的新进展
• 1.3 MSG 高阶应变梯度理论
• 1.3.1 Taylor 位错模型以及Nix 和Gao 对压痕实验的工作
• 1.3.2 提出MSG 应变梯度塑性理论的动机
• 1.3.3 基本假设
• 1.3.4 位错模型
• 1.3.5 MSG 应变梯度塑性理论本构方程
• 1.3.6 MSG 理论的应用和局限性
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 CMSG 低阶应变梯度塑性理论的发展
• 2.1 CMSG 理论介绍
• 2.1.1 提出CMSG 理论的动机
• 2.1.2 类似于粘塑性的率无关弹塑性材料本构方程
• 2.1.3 CMSG 理论的本构关系
• 2.2 混合硬化下的CMSG 理论推导
• 2.2.1 经典弹塑性本构关系
• 2.2.2 背应力演化律
• 2 流动理论'>2.2.3 混合硬化下的J₂流动理论
• 2.2.4 混合硬化下的CMSG 理论
• 2.3 CMSG 理论的有限元实现
• 2.4 本章小结
• 第3章 在混合硬化下对CMSG 理论的研究
• 3.1 研究背景
• 3.2 无限长弹塑性体层的剪切问题
• 3.2.1 无限长弹塑性体层的剪切问题
• 3.2.2 控制方程及背应力演化规律
• 3.2.3 特征线方法求解
• 3.2.4 积分曲面的性质分析
• 2 流动理论比较'>3.2.5 当L = 0 时CMSG 理论与经典J₂流动理论比较
• 3.2.6 小结
• 3.3 杆的自重拉伸问题
• 3.3.1 具有渐增自重的单向拉伸问题
• 3.3.2 控制方程及背应力演化规律
• 3.3.3 特征线方法求解
• 3.3.4 积分曲面的性质分析
• 2 流动理论比较'>3.3.5 当L = 0 时CMSG 理论与经典J₂流动理论比较
• 3.3.6 小结
• 3.4 本章结论
• 第4章 CMSG 理论在微纳米压痕问题中的应用
• 4.1 研究背景
• 4.2 有限元计算模型
• 4.2.1. 三维非圆锥压头与圆锥压头的等价原则
• 4.2.2. 压头模型
• 4.2.3. 压入材料模型
• 4.2.4. 接触模型
• 4.3 压头角度和摩擦对圆锥压头微压痕硬度的影响
• 4.3.1 金属铱的材料参数
• 4.3.2 六种不同压头角度
• 4.3.3 数值计算结果
• 4.3.4 小结
• 4.4 微压痕硬度的等价原则
• 4.4.1 Bokervich 压头有限元计算结果
• 4.4.2 六种不同角度压头的计算结果及等角原则
• 4.4.3 对于等角原则的进一步讨论
• 4.4.4 小结
• 4.5 球形压头的纳米压痕问题
• 4.5.1 前人的工作
• 4.5.2 不同半径下的球形压头微纳米压痕问题
• 4.5.3 小结
• 4.6 本章结论
• 第5章 CMSG 理论在稳态扩展裂纹问题中的应用
• 5.1 研究背景
• 5.2 定常条件
• 5.3 有限元计算模型
• 5.3.1 稳态扩展裂纹中CMSG 理论的本构方程
• 5.3.2 计算模型与网格划分
• 5.3.3 定常扩展裂纹中的有限元方法
• 5.4 稳态扩展裂纹的尖端场
• 5.4.1 计算结果的表示方法
• 5.4.2 当α= 0 时与经典解的比较
• 5.4.3 计算结果分析
• 5.5 本章结论
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果