基于位错密度的体心立方晶体塑性本构模型

晶体塑性理论是将晶体微观尺度的位错运动与宏观尺度的塑性形变相结合的重要理论,提供了在细观尺度内研究材料力学行为的有效方法。位错的密度变化对金属晶体的硬化行为有着重要的影响。该文在晶体塑性理论的基础上引入位错运动理论,建立基于位错密度的体心立方晶体(body center cubic,BCC)塑性本构模型,研究BCC的力学行为;并借助ABAQUS有限元软件,编写UMAT子程序,实现对BCC结构的铁单晶及多晶单轴拉伸试验的数值模拟。结果表明:该本构模型能有效地模拟铁单晶及多晶单轴拉伸的力学行为。     

非比例循环加载下316不锈钢晶体塑性数值模拟

综合 Weng和 Bassani硬化律 ,通过对它们的改造 ,建立了一个适合于描述单晶循环硬化的单晶硬化律 ,并提出了适用于非比例循环加载条件下开动滑移系的预测方案 ,在此基础上 ,采用林同骅多晶塑性模型建立了适用于非比例循环加载条件下数值模拟迭代格式 .该模型用于预测3 1 6不锈钢材料在拉压对称循环加载路径、方型和圆型路径下的复杂循环变形行为 ,其预测结果与实验结果吻合良好 .     

基于反双曲正弦函数的循环本构模型

为改善本构模型对循环变形应力-应变滞回环的预测能力，基于反双曲正弦函数提出了一个新的随动硬化律。在该硬化律中，背应力分为长程、中程和短程3部分，并且每部分都符合“A-F”硬化律的演化形式（即包含线性项和动态恢复项）。在长程和中程背应力中，动态恢复系数逐渐演化以描述大变形瞬态包辛格效应，并且系数中引入了棘轮系数以描述材料的棘轮行为；在短程背应力中，线性项和动态恢复项分别由两部分组成，其中一部分只在反向屈服发生时起作用以描述小变形下反向屈服塑性模量降低的行为。在单调加载时，该随动硬化律可以积分为一个反双曲正弦函数，并且调控单调加载响应、棘轮变形演化和滞回环形状的参数互不耦合。基于该随动硬化律，在次弹性大变形框架下建立了循环本构模型，并考察了其对棘轮变形和应力-应变滞回环的预测能力。     

高铁齿轮钢18CrNiMo7-6循环变形行为 实验和本构模型

采用RPL100电子式蠕变疲劳试验机,对高铁齿轮钢18CrNiMo7-6开展了不同应变幅值下的对称应变循环实验,研究了齿轮钢在对称应变循环下的循环软硬化行为;对齿轮钢18CrNiMo7-6在不同应力工况下开展了非对称应力循环下单轴棘轮行为实验,研究了齿轮钢棘轮变形的演化规律.结果显示,在实验研究循环周次内齿轮钢18CrNiMo7-6在对称应变控制循环下表现出循环软化的特征,在非对称应力控制循环下呈现出衰减的棘轮应变率和常棘轮应变率两阶段.通过在Ohno-Abdel-Karim非线性随动硬化律中引入与累积塑性应变相关的棘轮参数的演化方程,建立了修正的循环弹塑性本构模型.模拟结果显示,该模型能够合理预测齿轮钢18CrNiMo7-6的循环软化特征和棘轮行为的演化规律.     

Chaboche率相关本构模型的数值积分算法

为验证Chaboche率相关本构模型对循环塑性行为的描述能力,研究了有限元计算中本构关系的数值积分过程和Newton-Baphson迭代算法.编写了ABAQUS材料用户子程序UMAT,在此基础上对316不锈钢材料在600℃下的循环特性进行了有限元数值模拟.结果表明:该模型对材料率相关性、对称拉压循环特性及棘轮效应的描述...     

描述T225NG钛合金高温单轴棘轮行为的黏塑性本构模型

在350℃下对T225NG钛合金进行了单轴棘轮试验研究，提出了一种新的带有记忆面的黏塑性本构模型．引入了能记忆最大应变的记忆面，在记忆面内和面上采用不同形式的塑性流动律，将单调拉伸响应和循环响应独立开来，简化了模型参数的确定方法．在背应力随动硬化演化方程中引入了等效应变门槛值，可较好地描述T225NG钛合金应力一应变曲线的屈服平台及其后的强化效应．加入黏性指数修正，可描述棘轮应变率随循环次数迅速衰减的试验现象．将模型应用于T225NG钛合金350℃单轴棘轮行为描述中，对饱和棘轮应变的预测结果与试验结果吻合较好．     

耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料本构建模与仿真

针对耐热不锈钢X8CrNi25-21的材料特性,基于弹塑性力学理论和位错动力学对经典的Johnson-Cook（JC）本构模型进行修正,引入位错塞积理论,并在本构中考虑晶粒尺寸和晶体取向等微观参数,建立了基于尺度效应的耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料响应行为本构模型.通过采用介观尺度非标准件,并利用热处理工艺改变材料的晶粒尺寸,开展准静态拉伸实验、动态霍普金森压杆实验进行介观尺度材料测试,建立了晶体尺寸与介观尺度材料塑性变形与断裂行为特征的变化规律,并最终确定了耐热不锈钢X8CrNi25-21介观尺度材料本构模型各参数值.      

多轴非比例加载下循环硬化的数值模拟

本文应用一整合的粘塑性本构模型数值模拟了高温多轴非比例循环应力作用下退火316型不锈钢的循环硬化.文章中具体描述说明了该本构模型方程及其材料参数的构成与物理意义.本构方程的所有材料参数均由简单单轴实验得出,圆形与方型单轴扭转循环应力路径下本构方程的数值模拟结果由实验结果证实了本构模型的可行性,最后该本构模型扩展的可能性亦得到分析与讨论.     

位错的统计力学以及位错引起晶体的熔化理论

在位错对详细讨论的基础上建立一个晶体熔化的理论模型。该理论预测一级相变并得出晶体熔化温度的上限。引起面心立方结构和体心立方结构熔化的位错类型是不同的,前者是偏位错引起,后者是全位错引起。计算出22种立方晶体的熔化温度接近实验得出的熔化温度。提出了偏位错熔化温度低,这应当是面心立方比体心立方熔化温度低的原因之一。     

高温动态拉伸下NG TiAl弹塑性行为的数值模拟

基于率相关的晶体塑性理论,发展了更为合理的同时考虑位错滑移和形变孪晶作用、并计及温度影响的TiAl单晶本构模型.在此基础上,建立了能够反映晶粒随机取向的多晶有限元模型,对不同温度(室温～840℃)不同拉伸应变率(0.001～1 350/s)下NG TiAl的弹塑性力学行为进行了模拟.结果显示,模拟得到的应力应变曲线与试验结果基本一致,能够比较好地模拟NG TiAl在不同温度和应变率下的材料响应.还考察了形变孪晶对塑性变形的影响,结果表明孪晶为NG TiAl重要的变形方式之一;动态条件下孪晶的体积分数增大,从而提高了NG TiAl的塑性变形;而温度对孪晶体积分数演化的影响不明显.     

Dislocation multi-junctions and strain hardening

At the microscopic scale, the strength of a crystal derives from the motion, multiplication and interaction of distinctive line defects called dislocations. First proposed theoretically in 1934 (refs 1-3) to explain low magnitudes of crystal strength observed experimentally, the existence of dislocations was confirmed two decades later. Much of the research in dislocation physics has since focused on dislocation interactions and their role in strain hardening, a common phenomenon in which continued deformation increases a crystal's strength. The existing theory relates strain hardening to pair-wise dislocation reactions in which two intersecting dislocations form junctions that tie the dislocations together. Here we report that interactions among three dislocations result in the formation of unusual elements of dislocation network topology, termed 'multi-junctions'. We first predict the existence of multi-junctions using dislocation dynamics and atomistic simulations and then confirm their existence by transmission electron microscopy experiments in single-crystal molybdenum. In large-scale dislocation dynamics simulations, multi-junctions present very strong, nearly indestructible, obstacles to dislocation motion and furnish new sources for dislocation multiplication, thereby playing an essential role in the evolution of dislocation microstructure and strength of deforming crystals. Simulation analyses conclude that multi-junctions are responsible for the strong orientation dependence of strain hardening in body-centred cubic crystals.     

金属材料非比例循环塑性的本构描述

多晶金属在非比例循环过程中的强化与其内部组织结构的变化密切相关。根据循环过程中金属位错子结构的变化,将强化函数分解为乘积形式,各因子分别决定于非强化区尺度与非比例度,由此将各种不同的强化机制嵌入热力学相容的本构方程。对304与316不锈钢室温下二维非比例循环的本构响应进行了分析,并与Benallal等、Tanaka等、和Ohashi等的实验结果进行比较,符合得很好。     

多晶体循环应力—应变曲线的理论模拟

采用ＫＢＷ自洽理论和以前提出的单晶硬化律，对铜多晶体的循环应力－应变曲线进行了理论模拟，其范围包括高周疲劳阶段和低周疲劳阶段。结果与有关实验定量相符。理论模拟还证实了多晶体循环应力－应变曲线没有平台区     

引入内结构张量的非比例循环塑性本构模型

考虑非比例加载情况下金属材料塑性循环强化特性的本构描述,为反映由于非比例加载而引起材料的附加等向强化及异向强化效应,提出在Valanis的塑性内时响应方程中引入与加载路径几何性质有关的内结构张量,建立了新的非比例循环塑性本构模型.其中,材料强化程度采用沿路径法线方向的塑性应变分量描述.用所建模型对304不锈钢材料在一些典型非比例循环加载路径下的响应进行了理论预测,并与相关文献中的实验结果进行了比较,结果令人满意.     

镁合金塑性-蠕变交互作用的损伤本构模型

基于简单机械模型并合理地定义广义时间标度,得到了描述塑性-蠕变交互作用的统一型本构方程．在此基础上,采用Gurson模型考虑了镁合金在铸造过程中及由二相粒子脱落等所造成的孔洞型损伤,建立了基于含球形孔洞的有限体积球体的损伤模型,由此建立了混合强化材料的损伤演化．利用所建立的描述损伤本构模型和损伤演化,分析了镁合金在循环栽荷作用下的响应特性,取得了与实验相吻合的结果．     

Visualizing dislocation nucleation by indenting colloidal crystals

The formation of dislocations is central to our understanding of yield, work hardening, fracture, and fatigue of crystalline materials. While dislocations have been studied extensively in conventional materials, recent results have shown that colloidal crystals offer a potential model system for visualizing their structure and dynamics directly in real space. Although thermal fluctuations are thought to play a critical role in the nucleation of these defects, it is difficult to observe them directly. Nano-indentation, during which a small tip deforms a crystalline film, is a common tool for introducing dislocations into a small volume that is initially defect-free. Here, we show that an analogue of nano-indentation performed on a colloidal crystal provides direct images of defect formation in real time and on the single particle level, allowing us to probe the effects of thermal fluctuations. We implement a new method to determine the strain tensor of a distorted crystal lattice and we measure the critical dislocation loop size and the rate of dislocation nucleation directly. Using continuum models, we elucidate the relation between thermal fluctuations and the applied strain that governs defect nucleation. Moreover, we estimate that although bond energies between particles are about fifty times larger in atomic systems, the difference in attempt frequencies makes the effects of thermal fluctuations remarkably similar, so that our results are also relevant for atomic crystals.     

航空铝合金应变空间弹塑性本构模型

从应变空间表述的塑性增量本构模型一般形式出发,根据航空铝合金等线性强化材料特性建立应变空间弹塑性本构模型。应变空间本构模型所需参数通过应力空间中对应参数转化得到,材料的屈服准则、流动法则、内变量和塑性模量等准则及参量均以应变空间的形式建立,从而构建适合铝合金等线性强化材料的弹塑性增量模型。通过算例计算,证明该模型与应力空间增量本构模型等效。该模型所需计算变量为可在线获得的应变,使应力分析计算大为简化,可以方便地求解应力空间本构模型难以求解的强化材料变形问题。因此特别适合于航空铝合金厚板预拉伸等金属变形加工工艺的应力分析。     

新的多轴循环加载应变路径非比例度的定义

基于对316L不锈钢多轴非比例循环加载低周疲劳微结构的研究结果，测量了位错自由运动间距，分析了位错自由运动间距的分布规律，给出了位错自由运动间距统计平均值与宏观等效饱和应力幅值之间的关系，以位错自由运动间距统计平均值给出了应变路径非比例度的定义，在单轴循环应力-应变关系式中引入新的非比例度的定义可以较好地描述多轴非比例循环应力-应变行为。     

金纳米空球表面吸附行为的SERS研究

以硒球为模板合成了金纳米空球及其修饰玻碳电极,采用 SEM、XRD 和电化学循还伏安（CV）法,对金纳米空球的表面形貌和晶体结构进行了表征.实验结果表明:其粒径约为150 nm,壳厚约为25 nm,球壳表面由荔枝状的金原子簇团所构建,为多晶面心立方结构;应用电化学原位表面增强拉曼光谱技术,以吡啶为探针分子,初步研究了金纳米空球的 SERS 活性,计算其增强因子约为7.6×104;通过电化学和电化学原位表面增强拉曼光谱技术考察了硫氰根离子在金纳米空球上的吸附与氧化行为,发现在-0.80~0.60 V 的电位区间,SCN -离子通过电位调制可分别以 S 和 N 端竞争吸附在金纳米空球表面,但在0.60 V时,SCN -就开始氧化成 OCN -离子,当电极电位≥0.70 V 时,主要检测到位于2223 cm -1处OCN -离子在双电层的溶液谱.研究结果可为谱学电化学、电分析生物检测和靶向药物制备与检测等领域带来某些应用.