微尺度晶體塑性的离散位错和非局部理论研究.doc

附件2 论文中英文摘要 作者姓名：柳占立 论文题目：微尺度晶体塑性的离散位错和非局部理论研究 作者简介：柳占立，男， 1981年11月出生，2004年9月师从于清华大学庄茁教授，于2009年7月获博士学位。 中 文 摘 要 随着微纳米器件的广泛应用，微电子\微机械设备加工中的塑性成型控制及其工作过程中力学性能的可靠性预测成为近年来力学和材料学研究的热点问题。尺度位于几百纳米到几十微米的微尺度晶体材料的塑性变形具有很多新的特性：在均匀载荷下，屈服应力仍具有明显的尺寸效应；塑性变形呈现很强的时空不连续性，在时间上，塑性应变发生突跳，以间歇的方式进行；在空间上，发生局部化，晶体表面形成滑移线与滑移带；由于空间限制，位错存储及增殖机制发生变化，出现新的应力－应变关系。这些新的特性给微纳米尺度晶体塑性的研究带来很多挑战。 分子动力学模拟在晶体塑性研究中得到了广泛的应用，但巨大的计算规模使其目前受限于纳秒时间尺度和纳米空间尺度，不能满足工程中的应用要求。连续介质方法被运用到微尺度晶体塑性的研究中来解脱分子模拟所受的制约，但是，现有的基于连续介质的晶体塑性理论在解决该问题上仍面临诸多困难，如随位错存储增殖机制的转变，传统的Taylor硬化律可能不再适用、难以在连续介质框架下对离散位错进行时空描述等。 本文将位错动力学方法引入到传统晶体塑性理论中，基于连续介质力学框架建立离散位错塑性模型和非局部塑性模型对微尺度下晶体材料的塑性流动问题进行深入系统研究，取得了如下几方面的成果： 1.离散位错塑性研究 （1）在离散位错研究中，通过耦合三维离散位错动力学（3D DDD）和连续介质有限元（FE）首次建立统一的完全基于连续介质力学框架的离散位错塑性计算模型。在该模型中，微尺度晶体中的离散位错塑性完全在连续介质力学框架下进行求解：1）引入初始内应力场来表示晶体中预先存在的静态位错；2）外部边界条件通过有限元自然求解；3）本构关系基于传统晶体塑性的有限变形理论，但是通过3D DDD方法计算由位错滑移产生的离散塑性应变，然后通过引入Burgers矢量分布函数，把离散塑性应变较好地局部化到连续介质材料点上。应用该统一离散位错塑性模型，我们模拟了位错线、位错环及位错锁等微结构演化过程，并把与之相对应的应力场与解析结果进行比较，验证了该计算模型的可靠性。相关工作发表于塑性力学的权威杂志International Journal of Plasticity（2009，影响因子4.791, paper no.1）。 文章发出不久，ASME Journal of Engineering Materials And Technology 主编HM Zbib教授在Materials Division of ASME的综述报告“Advances in Discrete Dislocations Dynamics and Multiscale Modeling” 中对该工作在离散位错塑性研究中的贡献给予了肯定“Liu et al. extended the work of Lemarchand et al., based on the finite deformation theory of crystal plasticity. The major improvement proposed by Liu et al. is concerning the pre-existing stationary dislocations. To be visible in the continuum, dislocations have to be introduced from the free surfaces in the formulation of Lemarchand et al., while Liu et al. represented pre-existing stationary dislocations by an internal stress field. With the new formulation, discrete dislocation plasticity is completely handled under a continuum mechanics framework. ”（Journal Of Engineering Materials And Technology, 131:041209，2009）。 该模型解决了传统晶体塑性理论中唯象本构演化方程难以描述离散塑性应变的问题，并能用于大规模数值模拟，在微纳米器件的塑性成型研究中具有实际应用价值，同时对金属材料的研究也具有重要意义。法国National Centre for