微米尺度金属丝反常塑性行为实验与理论分析-experimental and theoretical analysis of abnormal plastic behavior of micro-scale wire.docx

华 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I万方数据 I 万方数据 摘 要 在微米和亚微米尺度下，金属材料的塑性力学行为与宏观尺度相比表现出明显 的差异。对微尺度材料反常塑性行为的研究已经成为力学与材料科学领域的前沿课 题。本文采用实验和理论相结合的方法，对微米尺度金属丝的反常塑性行为进行了 系统的研究，主要成果包括： (1) 研制了一台高精度纤维材料微拉伸实验装置，可同时测量试样的拉伸力和 上夹持端的位移量，以精确获取试样的载荷-变形曲线。采用该装置对微米量级多晶 铜丝、多晶金丝和 316L 不锈钢纤维进行了拉伸测试，结果表明：铜丝的拉伸力学 行为无明显尺度效应；铜丝和 316L 不锈钢纤维的弹性模量均低于其宏观尺度下的 弹性模量；不同晶粒尺寸金丝的屈服强度符合 Hall-Petch 关系。 (2) 基于静态扭秤原理，成功研制了国内第一台微扭转实验装置，可同时实现 微尺度材料的单向和循环扭转测试。首次提出采用原位扭转振动法对微扭矩传感器 进行精确标定。装置的扭矩分辨率在 nN?m 量级，剪应变的分辨率高达亚微应变。 采用该装置首次直接重复了经典但长期受人质疑的细铜丝扭转实验。实验结果表明， 铜丝扭转变形的初始屈服和塑性流动阶段都具有尺度效应。采用偶应力应变梯度塑 性理论对实验结果进行了解释。 (3) 对直径为 20-50μm 的多晶铜丝进行了单向扭转和单轴拉伸测试，实验结果 表明，铜丝扭转变形的初始屈服和塑性流动阶段都具有尺度效应，而拉伸变形并无 明显的尺度依赖性。分别从几何必需位错和临界厚度的观点出发，对扭转变形尺度 效应的物理机制进行了详细分析。同时，对 Fleck-Hutchinson、Chen-Wang 和 Aifantis 应变梯度塑性理论进行了评估，分别得到了相应模型的扭转刚塑性解，指出了这三 种唯象理论在预测初始屈服和塑性强化尺度效应时的差异。系统的实验和理论分析 表明：扭转变形时，初始屈服的尺度效应主要是由外部几何尺寸对有限应变体积的 约束引起的，而塑性流动阶段的尺度效应则与应变梯度诱导的几何必需位错密切相 关。 (4) 首次对微米尺度多晶铜丝和金丝进行了循环扭转测试，结果表明：微米尺 II万方数据 II 万方数据 度金属丝在循环扭转塑性变形时，不但具有尺度效应，还表现出强烈的 Bauschinger 效应和异常的塑性恢复现象，即反向的塑性流动在卸载时就开始发生。实验结果与 分子动力学和离散位错动力学模拟定性一致。基于 Fleck-Willis 理论框架，提出了 一个同时包含耗散和储能材料长度参量的非局部随动强化模型，能够描述上述实验 现象。理论分析表明，在微米尺度下，塑性应变梯度诱导的几何必需位错不但会引 起尺度效应，也会导致反常的 Bauschinger 效应。 (5) 首次采用 Tricomi 方法给出了双臂位错塞积模型控制方程的解析解和纯位 错塞积边界条件。对复杂应力情形下的位错塞积行为进行了分析，分别得到了不同 情形下塞积的位错分布、领头位错作用力、塞积尖端应力场、位错偶极子的数目以 及形成塞积所释放的能量等。推导了一个可以预测微尺度多晶材料非均匀变形尺度 效应的应力梯度塑性律，并预测了细丝扭转和薄梁弯曲中初始屈服时的尺度效应。 (6) 将应力梯度塑性律引入到 CMSG 低阶应变梯度理论框架，提出了一种应力 梯度塑性连续介质理论。指出位错障碍平均间距是控制材料塑性流动的唯一长度参 量，并对其进行了重新定义，使其同时包含晶粒尺寸和试样外观尺寸。该理论能够 很好地预测细丝扭转和薄梁弯曲实验中的尺度效应。 关键词：扭转；拉伸；尺度效应；Bauschinger 效应；应变梯度；应力梯度；塑性恢 复；几何必需位错 PAGE IV万方数据 PAGE IV 万方数据 Abstract Many experiments have found that the plastic behavior of metals at the micron and sub-micron scales is obviously different from the classical plasticity. The study of anomalous plasticity of small-scale materials has become a significant frontier problem in mechanics and material science. In this dissertation, the anomalous plasticity of micron-scale metallic wires is systematically studied theoretically and e