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第38卷第3期 力 学 学 报 V01．38．NO．3 ChineseJournalofTheoreticaland Mechanics 2006年5月 Applied May，2006 FCC金属塑性屈服的尺度效应和应变率响应D 郭 宇庄茁2)李晓雁 (清华大学工程力学系，北京100084) 摘要对纳米尺度单晶铜的剪切变形进行了分子动力学(MD)模拟．模拟结果表明，单晶铜的剪切屈服应力随 模型几何尺度的增大而降低，而随着应变率的增大而升高．基于位错形核理论，建立了一个修正的指数法则来 描述面心立方(FCC)金属的尺度效应，该法则与较大尺度范围内(从纳米到毫米以上)的数值模拟结果以及实 验数据都符合得比较好．另外， MD模拟中发现单晶铜存在一个临界应变率，当施加的应变率小于该值，剪 切屈服应力几乎不随应变率变化而变化；当大于该值，剪切屈服应力会随着应变率的增加迅速升高．最后根据 模拟的结果建立了单晶铜和单晶镍塑性屈服强度的应变率响应模型． 关键词 面心立方金属，尺度效应，率响应，塑性屈服应力 中图分类号： 0344．4文献标识码： A 文章编号：0459-1879(2006)03—0398-09 引 言 随着微纳米技术的发展，人们开始越来越关注 本剪切屈服应力随着探针半径的减小(从250nm到 小尺度材料的力学性质．对于微纳米材料，有些力学 50 nm)而增加，他们提出了一个位错形核模型来描 行为不能用经典的连续介质力学理论解释．例如， 述这种尺度效应． 经典的力学法则认为材料的力学性质是与其几何尺 晶金细柱的压缩实验中，获得了很高的屈服强度， 度无关的，但是，许多实验和数值模拟结果表明，在 并发现尺度效应的存在(虽然不存在应变梯度)．这两 微米或纳米尺度下，晶体材料的塑性行为具有很强 个研究成果进一步完善了微纳米材料的塑性理论． 的尺度效应． 近年来，分子水平的数值模拟被广泛地用于研 究纳米材料的力学性质，尽管还受到当前计算能力 Fleck等[1]在细铜丝扭转实验中发现剪切强 度随着铜丝直径的减小(从170#m到12#m)而升 高． Stolken等【2J在薄梁弯曲实验中发现弯曲强度 随着梁厚的减小明显升高，Matthews[3,4J，Preund[引， Nix[a]和Espinosa[7]也都在各自的薄梁弯曲实验中 发现了相同的结论．另外，在许多微纳米压痕实验 分析了单晶铜线拉伸变形的尺度效应和率响应． 中【8“2】也得到了存在尺度效应的有力证据：压痕 在前人工作基础上，本文利用MD方法模拟了 的硬度随着压痕深度的增加而降低．为了解释上述 纳米尺度单晶铜的剪切变形，根据位错形核理论， 现象，迫切需要新的理论的出现． Fleck等【1J发展 度效应的唯象的指数法则，得到了一个可以连接纳 了一个唯象的应变梯度塑性理论， Gao等[13J也建 观和宏观的尺度效应法则．最后，建立了单晶铜和 立了一个基于微观机制的应变梯度塑性理论(MSG)． 虽然这些理论可以较好地解释一些微扭转、微压痕 单晶镍的塑性屈服强度的应变率响应模型． 等实验，但这些应变梯度理论是基于连续介质的，因 1分子动力学方法和计算模型的建立 此无法描述压痕深度小于i00am时，材料弹塑性转 变过程中的位移不连续现象【14J．所以需要建立一个 本文的分子动力学(MD)模拟采用的是镶嵌原 2005—08—08收到第l稿