亚微米尺度晶体反常规塑性行为的离散位错研究进展.pdfVIP

第41 卷 第6 期 力 学 进 展 Vol. 41 No. 6 2011 年 11 月25 日 ADVANCES IN MECHANICS Nov. 25, 2011 亚微米尺度晶体反常规塑性行为的 离散位错研究进展 † 庄 茁 崔一南 高 原 柳占立 清华大学航天航空学院教育部应用力学重点实验室, 北京 100084 摘 要 近十年来 随着实验技术的发展 人们对亚微米尺度晶体材料塑性行为的研究和认识不断深入 实验 观测到许多由离散位错主导的新的应力应变现象 它们是基于宏观尺度的经典塑性理论和基于微米尺度的应 变梯度塑性理论所无法阐释的 研究者们试图寻求新的理论模型和计算方法 提出了考虑位错近程相互作用 由背应力主导的缺陷能理论和以离散位错动力学为代表的亚微米尺度晶体塑性计算方法 旨在描述位错形核、 增殖、匮乏和湮灭 揭示该尺度下塑性流动的机理 本文从实验观测数据、理论分析模型、离散位错动力学及 其与之耦合的连续介质力学计算方法等方面 综述了亚微米尺度晶体反常规塑性行为的离散位错研究进展 关键词 亚微米尺度实验 晶体塑性理论 离散位错动力学 有限元 本构关系 引 言 规塑性本构行为. 同时, 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 晶体材料在现代工业中扮演了重要角色. 随 式进行, 当位移加载时, 应力–应变曲线呈锯齿状, 着微纳米材料科学的不断发展, 对晶体材料的研 当应力加载时, 应力–应变曲线呈台阶状; 在空间 究已经从宏观转向微观 (细观) 及纳观尺度. 通常 上, 晶体内部和表面发生局部化, 形成很多滑移线 我们将几百纳米至几十微米的尺度范围称为亚微 与滑移带, 非常类似于宏观材料表现的塑性失稳 米尺度, 对该尺度晶体材料的研究具有重要的科 形态 . 这些晶体材料塑性流动的特殊现象引起 学意义和应用前景. 从工业实践角度看, 计算机最 了国内外力学和材料学者的关注, 在亚微米尺度 小元件的尺度仅为几十纳米, 以传感器和激励器 为代表的亚微米器件 (MEMS/NEMS) 、亚微米 下, 研究位错的形核、增殖、逃逸和湮灭对材料力 学性能的影响成为热点课题. 颗粒/纤维增强复合材料以及微加工技术等都相 继出现并得到了应用; 从科学研究角度看, 金属的 尽管聚焦离子束 (focused ion beam, FIB) 技 断裂和剪切失稳等失效过程与离散位错的形核和 术可以制造出尺寸小于 100 nm 的试件, 原位透射 电子显微镜(in-situ TEM) 等技术也允许在纳米甚 演化密切相关 , 在亚微米尺度下由实验发现的 新的材料行为也吸引着力学和材料学者不懈地探 至原子尺度记录材料微结构的演化 , 但是仍然 知其科学问题. 有很多重要信息是从实验中无