CMSG低阶应变梯度塑性理论及其应用

论文题目: CMSG低阶应变梯度塑性理论及其应用

论文类型: 博士论文

论文专业: 力学

作者: 张帆

导师: 黄克智,黄永刚

关键词: 应变梯度,位错模型,颗粒尺度效应,硬度,纳米压痕

文献来源: 清华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 为了解释微米和亚微米量级实验中发现的尺度效应,以及解决工业领域在该尺度下遇到的日益增多的问题,人们建立了应变梯度理论。其中Huang等在MSG理论的基础上,发展了一套CMSG低阶应变梯度塑性理论。本文的主要工作就是利用CMSG理论研究一系列的具体问题。 我们首先对CMSG理论进行了改进,并在此基础上发展了考虑有限变形的次弹塑性CMSG本构模型。然后,我们研究了如下四个具体问题: (1) 颗粒增强复合材料问题。前人的研究采用轴对称模型,在模型侧面施加自由边界条件以模拟单向拉伸载荷。他们的结果与实验相比偏低。我们发展了一个三维单位胞元,在胞元侧面采用周期性协调边界条件,使胞元在变形前后与邻近胞元保持一致。结果表明,与自由边界条件相比,周期性协调边界条件的三维单位胞元模型大大改善了与实验的比较结果。 (2) 材料表面纹理加工中的应变梯度问题。问题被简化为一个圆柱压头压入刚性基体上铝膜的问题。我们研究了薄膜厚度、压头尺寸及压入深度对压头压力的影响。结果表明压力随膜厚的增加而趋于一个常数值,它可以表示成一个膜厚和压头半径的函数。 (3) 硬膜软基体(钨膜铝基体)系统压痕问题。我们扩展了CMSG理论以考虑体心立方金属钨的摩擦应力。计算结果与实验吻合较好。研究表明,铝基体中的应变梯度效应可以忽略,但钨膜中应变梯度效应在浅压痕时起重要作用。由于钨的内禀材料尺度很小,所以这种效应会迅速衰减。 (4) 纳米压痕硬度偏离Nix-Gao模型的问题。我们建立了一个基于最大允许几何必需位错(GND)密度的解析模型。模型给出了纳米压痕硬度和压入深度之间简单的函数关系,在压入深度较大时它可以退化到Nix-Gao模型。模型与MgO和铱的微压痕、纳米压痕实验都符合较好。我们也发展了考虑最大允许GND密度的CMSG理论,结果与实验符合很好。此外,我们还证明在不考虑最大允许GND密度情况下,压头尖端半径影响不能单独解释纳米压痕中的这种尺度效应。

论文目录:

第一章 引言

1.1 试验与工业背景

1.2 应变梯度塑性理论的发展

1.2.1 统计储存位错和几何必需位错

1.2.2 现有应变梯度塑性理论的分类

1.3 MSG高阶应变梯度理论

1.3.1 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

1.3.5.1 微尺度分析

1.3.5.2 细观尺度分析

1.3.5.3 MSG本构关系和平衡方程

1.3.6 MSG理论的应用

1.4 本文的主要工作

第二章 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 Taylor位错模型

2.1.4 CMSG理论的本构关系

2.1.4.1 基于Taylor位错模型的本构关系

2.1.4.2 等效塑性应变梯度η~p

2.1.4.3 平衡方程

2.2 对CMSG理论的改进

2.3 考虑有限变形的次弹塑性CMSG理论

2.4 CMSG理论的有限元实现

2.5 小结

第三章 CMSG理论对复合材料的研究

3.1 问题的描述以及前人的工作

3.1.1 问题描述

3.1.2 前人的工作

3.2 颗粒增强复合材料问题的三维模型

3.2.1 三维单位胞元模型

3.2.2 材料参数

3.2.3 有限元模型

3.3 颗粒增强复合材料问题的结果分析

3.4 小结

第四章 表面纹理加工中应变梯度问题的初步研究

4.1 问题描述

4.2 数值分析模型

4.2.1 铝的材料参数

4.2.2 压头和压入材料模型

4.2.3 接触模型和边界条件

4.3 计算结果与分析

4.4 小结

第五章 硬膜软基体系统压痕问题

5.1 问题描述

5.2 考虑摩擦应力效应的CMSG理论

5.2.1 Taylor位错模型

5.2.2 考虑摩擦应力的CMSG理论:小变形情况

5.2.3 考虑摩擦应力的次弹塑性CMSG理论

5.3 钨膜铝基体压痕问题的计算模型

5.3.1 钨膜和铝基体的材料参数

5.3.2 压痕模型

5.4 数值分析结果以及与实验的比较

5.4.1 确定剩余的材料参数

5.4.2 钨膜铝基体的数值分析结果以及与实验的比较

5.5 小结

第六章 纳米压痕偏离Nix-Gao模型的研究

6.1 问题描述

6.2 压头尖端半径的影响

6.2.1 不同压头压痕问题的模型

6.2.1.1 MgO的材料参数

6.2.1.2 压头模型

6.2.1.3 压入材料模型

6.2.1.4 接触模型

6.2.2 数值计算结果以及与实验的比较

6.2.2.1 确定剩余的材料参数

6.2.2.2 数值分析结果与讨论

6.3 纳米压痕解析模型

6.3.1 压头下方的几何必需位错

6.3.2 压痕硬度

6.4 纳米压痕的有限元分析

6.4.1 修改Taylor位错模型以引入最大允许GND密度

6.4.2 氧化镁压痕问题

6.4.3 金属铱压痕问题

6.5 小结

第七章 结论

参考文献

致谢与声明

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

发布时间: 2006-08-18

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