基于應變梯度晶體塑性本構(gòu)理論的材料尺度相關(guān)力學行為研究.pdf

1、近年來，大量的實驗證明，當材料處于微米/亞微米量級時，材料表現(xiàn)出非常明顯的尺寸效應，即材料尺寸越小，材料的宏觀力學性能越強。然而，傳統(tǒng)的基于連續(xù)介質(zhì)力學框架的相關(guān)本構(gòu)理論中不包含尺度參數(shù)，無法解釋這種尺度相關(guān)實驗現(xiàn)象。與此同時，在工業(yè)制造領域，人們迫切需要解決微米尺度材料的力學理論和計算模擬問題。因此，近年來，關(guān)于尺度效應的研究一直是學術(shù)領域的熱門問題。
　　自從本世紀初，Cosserat提出了包含尺度參數(shù)的偶應力理論之后，科學工

2、作者提出了眾多的應變梯度理論來更精確地模擬小尺寸或者有較大應變梯度材料的變形問題。眾所周知，晶體材料具有非常明顯的各向異性，這一特性對微尺度下金屬材料的宏觀力學性能有較大的影響（微米尺度下材料的晶粒個數(shù)非常有限）。傳統(tǒng)的晶體塑性理論能精確地表征晶體材料的這種各向異性，但該理論中并未包含尺度相關(guān)參數(shù)。因此，在傳統(tǒng)的晶體塑性理論的框架中引入應變梯度和材料內(nèi)稟特征參數(shù)顯得尤為重要。其不僅可以完整地模擬微米尺度下晶體材料的各項異性，同時也考慮了

3、微尺度下材料的尺度效應。
　　本文正是基于該出發(fā)點，發(fā)展了計算應變梯度響應算法，通過ABAQUS用戶子程序UMAT實現(xiàn)了在晶體塑性理論的框架下引入內(nèi)稟尺度參數(shù)來表征晶體材料在微米量級下的尺度效應。并通過該修改后的本構(gòu)模型來模擬單晶Cu的微扭轉(zhuǎn)和微彎曲中的尺度相關(guān)力學響應，以及多晶材料中宏觀力學性能與晶粒尺寸的Hall-Petch關(guān)系。同時，所開發(fā)的UMAT用戶子程序也能模擬含微孔洞、微增強顆粒、微纖維等的兩相材料的尺度相關(guān)力學響應