多晶材料塑性行为尺度效应研究

通过引入表征晶粒尺度、缺陷尺度的微观机制，实现对微米多晶FCC晶体屈服行为的模拟和预测。材料内部缺陷的尺度影响材料宏观的塑性行为。首先，晶粒内部存在大量的F-R位错源，位错源的形核强度以及形核时间均取决于F-R位错源长度的大小。其次，位错滑移面上钉扎颗粒对位错滑动的阻力由颗粒相的大小以及它们之间的距离大小来决定。这些微观尺度大小又受到了晶体有限体积的约束，是受制于晶粒大小的。在材料的塑性变形过程中，这些具有尺度的微观材料结构将影响位错的形核和滑移。这些影响不仅只体现在强度上的影响，而且对于材料的率响应也有很大的影响。本课题的研究目标就是希望通过分析材料微观缺陷尺度与晶粒尺度的关系，揭示缺陷尺度对多晶材料宏观塑性行为的影响，以达到定性指导说明实验的目的。

本课题研究了材料的内秉尺度对塑性行为的影响，解释了不同材料尺度下奇异塑性行为的微观机制，包括晶粒内部位错的塞积，位错与纳米晶界反应，以及纳米接触下位错的非均匀形核。结果表明：多晶体材料中位错在位错障碍处塞积引起材料塑性强度的提高，研究修正了传统连续模型对塑性强度提高的预测，提出了精确预测的离散模型。纳米晶体中晶界与位错反应是一个主要变形机制，研究表明在小压头浅压情况下，所测的的硬度将只出现反Hall-Petch（HP）关系，正反H-P转换的材料最强尺寸不在存在。发展了非均匀位错形核理论，并用于纳米接触中，结果表明位错形核塑性的极限应力与压头的大小平方根成反比。