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应变梯度塑性理论模拟晶粒尺寸对铝多晶体强度的影响

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金属学报 2006年第7期42卷 781-784页

作者：周丽李守新柯伟中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室中国科学院金属研究所金属腐蚀与防护国家重点实验室沈阳110016

采用经典塑性理论与基于微观机制的应变梯度(MSG)塑性理论对不同晶粒尺寸铝多晶的应力-应变关系进行了模拟分析．结果表明:基于微观机制的应变梯度本构方程所得的应力-应变曲线中,随着晶粒尺寸的减小,塑性应变功明显增加．晶粒直径为20 ... 详细信息

采用经典塑性理论与基于微观机制的应变梯度(MSG)塑性理论对不同晶粒尺寸铝多晶的应力-应变关系进行了模拟分析．结果表明:基于微观机制的应变梯度本构方程所得的应力-应变曲线中,随着晶粒尺寸的减小,塑性应变功明显增加．晶粒直径为20 μm的应力-应变曲线稍高于经典塑性理论得到的曲线,这进一步说明随着晶粒尺寸的增大,应变梯度的贡献逐渐减小．同时计算所得的屈服强度与晶粒尺度关系拟合的直线与铝晶体的Hall-Petch直线比较吻合．

关键词：应变梯度塑性经典塑性有限元铝多晶尺寸效应

高阶应变梯度塑性理论在非比例加载问题中的应用研究

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高阶应变梯度塑性理论在非比例加载问题中的应用研究

作者：罗彤华中科技大学

学位级别：硕士

当金属材料非均匀塑性变形的特征尺寸降低到微米或亚微米量级时,其呈现出与宏观块体材料截然不同的塑性力学行为。对这些反常塑性行为的准确表征和理论预测,对于微尺度材料的开发和应用至关重要。经典塑性理论因不包含任何特征尺寸,无... 详细信息

当金属材料非均匀塑性变形的特征尺寸降低到微米或亚微米量级时,其呈现出与宏观块体材料截然不同的塑性力学行为。对这些反常塑性行为的准确表征和理论预测,对于微尺度材料的开发和应用至关重要。经典塑性理论因不包含任何特征尺寸,无法描述实验中观察到的尺寸效应和钝化效应等反常力学行为。目前,基于不同方法和机制发展起来的应变梯度塑性理论逐渐成为研究这些现象的有效手段。本文对Gudmundson和Fleck-Hutchinson两类高阶应变梯度塑性理论进行有限元实现,重点研究微尺度材料在不同非比例加载下的尺度效应和钝化效应等力学行为。主要内容包括:(1)基于Gudmundson高阶应变梯度塑性理论,研究表面未钝化和钝化薄膜在循环弯曲作用下的力学行为。结果表明,初始屈服强度随着耗散尺度参数的增加而增大,应变硬化随着储能尺度参数的增加而提高,包辛格效应随着储能尺度参数的增加而越发强烈,甚至会出现“塑性恢复”现象。表面钝化层通过抑制塑性流动提高薄膜的弯曲强度。(2)分别基于Fleck-Hutchinson理论和Gudmundson理论,研究了受限金属薄层剪切问题。在基于Gudmundson理论的有限元模拟中,施加周期性钝化边界条件,对受限薄层剪切问题作了进一步分析,与实验结果进行对比。结果表明,两类理论都能预测受限薄层剪切问题中的尺度效应,其中周期性钝化边界条件的模拟结果与实验结果更为吻合。(3)分别基于Fleck-Hutchinson理论和Gudmundson理论,研究了微尺度金属丝扭转问题。探究了钝化层对金属细丝扭转力学行为的影响,并与实验结果进行了对比。结果表明,两类理论均能预测金属细丝扭转中的尺度效应,也能预测表面钝化引起的扭转屈服强度和流动应力的提升,理论预测结果与实验结果吻合。Gudmundson理论预测在扭转过程中突然施加钝化层会导致“应力跳跃”现象。

关键词：应变梯度塑性非比例加载尺度效应钝化效应有限元方法

基于应变梯度塑性理论的纪念币压印成形数值模拟

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中国机械工程 2018年第11期29卷 1369-1374页

作者：易国锋李巧敏钟文柳玉起湖北工业大学机械工程学院武汉430068 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074

为了准确体现纪念币压印成形工艺中由于精细浮雕导致的尺寸效应,从Taylor位错模型出发,基于应变梯度塑性理论,建立了压印成形的本构方程。采用纳米压痕试验,获得了Ag999的材料内禀尺寸以及统计存储位错密度和几何必须位错密度的非线性... 详细信息

为了准确体现纪念币压印成形工艺中由于精细浮雕导致的尺寸效应,从Taylor位错模型出发,基于应变梯度塑性理论,建立了压印成形的本构方程。采用纳米压痕试验,获得了Ag999的材料内禀尺寸以及统计存储位错密度和几何必须位错密度的非线性耦合关系。将建立的本构方程用于计算某钥匙纪念币压印成形过程中的压印力变化曲线,并与试验结果进行对比,结果表明,建立的本构方程能够体现压印成形工艺中的尺寸效应,可有效改善压印力的预测精度。

关键词：纪念币压印成形 Taylor位错模型应变梯度塑性尺寸效应

运用应变梯度塑性理论模拟颗粒增强铝合金强度及延伸率的尺寸效应

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功能材料 2008年第12期39卷 2101-2105页

作者：周丽李守新黄树涛沈阳理工大学机械工程学院辽宁沈阳110168 中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家联合实验室辽宁沈阳110016

运用基于细观机制的应变梯度塑性理论模拟了不同晶粒尺度、不同第二相颗粒直径及体积分数的铝合金应力应变曲线。结果表明,在相同条件下,随着第二相颗粒直径的减小,或随着第二相体积分数的增加,合金的强度明显增强。相反,随着第二相颗... 详细信息

运用基于细观机制的应变梯度塑性理论模拟了不同晶粒尺度、不同第二相颗粒直径及体积分数的铝合金应力应变曲线。结果表明,在相同条件下,随着第二相颗粒直径的减小,或随着第二相体积分数的增加,合金的强度明显增强。相反,随着第二相颗粒体积分数的增加,或随着第二相颗粒直径的减小,合金的均匀延伸率均有所下低。同时对不同晶粒尺寸的铝合金应力应变相应的分析表明,第二相颗粒分布的不均匀性对其力学性能也有一定的影响。

关键词：应变梯度塑性有限元铝合金尺寸效应

基于高阶应变梯度塑性理论的微结构表面钝化效应研究

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基于高阶应变梯度塑性理论的微结构表面钝化效应研究

作者：华奋飞华中科技大学

学位级别：硕士

随着微纳米技术的迅猛发展,大量微米或亚微米级金属器件被应用于微机电系统和集成电路中。在微型化的设备中,微尺度金属结构几乎总是与一个或多个外部介质相结合的形式出现,在加工和使用过程中产生的变形相互影响,并且金属结构由于暴露... 详细信息

随着微纳米技术的迅猛发展,大量微米或亚微米级金属器件被应用于微机电系统和集成电路中。在微型化的设备中,微尺度金属结构几乎总是与一个或多个外部介质相结合的形式出现,在加工和使用过程中产生的变形相互影响,并且金属结构由于暴露在空气中导致表面生成致密的氧化层。这些在表面或界面形成的对塑性变形的物理约束会导致材料出现尺度效应和钝化效应。由于传统塑性理论中不包含尺度参数因此无法解释这种力学行为,基于应变梯度塑性理论的预测和模拟是解决目前尺度效应和钝化效应的主要手段。无论是在基础科学还是相关的技术应用中,更好地理解表面钝化效应对材料力学行为的影响具有重要意义。本文以微尺度领域出现的表面钝化效应为切入点,基于两种高阶应变梯度塑性理论,利用有限元的方法分别对其进行了数值实现,并研究了表面钝化和材料尺寸对微金属结构力学行为的影响。主要内容包括:(1)基于Fleck-Hutchinson高阶应变梯度塑性理论,提出了一种求解初始边值问题的变分本构更新的数值方法。该方法采用变分求极值原理,将势能泛函离散为线性方程组。利用该方法对微尺度领域常见的均匀位移场下的边界值问题进行了求解,揭示了耗散应变梯度的作用和表面钝化效应。相比于微分方程解法,该方法显示出良好的计算稳定性和准确性。(2)基于Gudmundson高阶应变梯度塑性理论,建立了同时包含位移和塑性应变自由度的平面八节点单元,该单元可通过对塑性应变自由度进行约束以模拟钝化效应。采用以上单元对刚性夹层间的金属薄板剪切、钝化薄膜拉伸和薄膜弯曲问题进行了有限元模拟。在忽略高阶耗散应力的情况下,获得了不同边界条件下细丝扭转问题的高阶平衡方程的解析解,分析了表面钝化对完全储能梯度材料的作用。

关键词：应变梯度塑性尺度效应表面钝化有限元方法尺度参数

考虑应变梯度塑性理论的锂电池高容量电极材料的失效机理研究

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考虑应变梯度塑性理论的锂电池高容量电极材料的失效机理研究

作者：陈耀星湘潭大学

学位级别：硕士

锂电池拥有电压平台高、能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点,已被广泛应用在移动通讯、交通运输、电力储能、航空航天等领域。随着科学技术迅猛发展,如今锂电池商品电极材料的能量密度逐渐接近其理论极限。为了满足人们日益增长... 详细信息

锂电池拥有电压平台高、能量密度高、循环寿命长、无记忆效应等优点,已被广泛应用在移动通讯、交通运输、电力储能、航空航天等领域。随着科学技术迅猛发展,如今锂电池商品电极材料的能量密度逐渐接近其理论极限。为了满足人们日益增长的需求,市场急需研发生产出高容量的锂电池电极材料商品。然而许多高容量电极材料在首次循环充放电过程中就造成较为严重的体积变形和结构破坏,导致大量不可逆的容量损失,甚至引发燃烧或爆炸等安全问题。为了减轻材料体积过度变形,目前常用的方法是把电极材料制成微纳米尺度的结构。近年来,有研究发现许多微纳米尺度的高容量电极材料在充放电过程中存在力学响应的尺度效应,在锂化扩散前端发生相变反应,形成明显的高密度位错区,其中存在着不可忽视的应变梯度。因此本论文借助应变梯度塑性(SGP)理论,利用有限元计算模拟软件ABAQUS以及用户自定义子程序对锂电池中的高容量薄膜型电极材料建立考虑扩散和应变梯度塑性理论的本构关系,旨在分析应变梯度塑性对电极材料锂化时的结构形状及应力演化的影响。主要进行了以下工作:(1)建立了锂化扩散的薄膜型电极结构模型,在经典J流动理论中引入位错及应变梯度的影响,搭建了考虑SGP理论的弹塑性变形方程,利用有限元计算模拟软件ABAQUS并结合根据SGP理论编写出的用户自定义子程序开展仿真计算。虽然ABAQUS缺少成熟的电化学-力学耦合模块,但由于扩散方程与热传导方程的结构相似,因此选用ABAQUS的热-应力双向耦合分析模块进行等效类比。(2)进行了结构形貌、浓度演变、塑性屈服及应力演化的定性分析。发现锂化初期的活性材料两相相界处存在着明显的Li浓度分布突变,导致活性材料非均匀膨胀,引起严重的应力失配。活性材料侧面区域、下表面侧边和中线区域会优先发生屈服。下表面侧边的大水平拉应力是界面损伤剥离的主因,中线区域的垂直拉应力是材料内部水平裂纹的主因。而上表面中点在锂化前期的压应力使上表面发生挤压锯齿现象,在后期的大水平拉应力会导致材料上表面出现垂直裂纹。(3)研究了锂化界面剥离和上表面断裂过程的破坏相关物理量对充电过程的影响。发现减小薄膜活性材料的初始厚度h能有效缓解界面剥离和上表面断裂。对于破坏相关物理量,降低相应接触面的初始粘结刚度K或提高接触牵引强度σ均能有效缓解界面损伤和上表面损伤;然而,提高初始粘结刚度K只能缓解界面剥离,而降低接触牵引强度σ或提高界面复合断裂能Γ可以更好地抵抗界面剥离和上表面断裂的发生。

关键词：锂电池高容量电极材料应变梯度塑性应力演变

应变梯度塑性Ⅰ,Ⅱ型平面应力裂纹的有限元解

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中国科学（A辑） 2000年第8期30卷 760-768页

作者：邱信明郭田福黄克智清华大学工程力学系北京100084

将塑性应变梯度理论应用于幂硬化材料的裂纹尖端场 ,得出在小范围屈服条件下平面应力Ⅰ型和Ⅱ型裂纹的数值解 .与现有的渐近解比较发现 ,Chen等人的文中裂尖附近渐近解的有效范围是 0 .0 5l量级 (l为材料特征长度 ) ,远离此有效范围 ,... 详细信息

将塑性应变梯度理论应用于幂硬化材料的裂纹尖端场 ,得出在小范围屈服条件下平面应力Ⅰ型和Ⅱ型裂纹的数值解 .与现有的渐近解比较发现 ,Chen等人的文中裂尖附近渐近解的有效范围是 0 .0 5l量级 (l为材料特征长度 ) ,远离此有效范围 ,有限元计算出Ⅰ型和Ⅱ型问题的应力场都趋向于经典的HRR解 .在塑性区内 ,有限元计算只得到了应力占优的结果 .

关键词：断裂平面应力应变梯度塑性裂纹断裂力学

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平面远场受拉孔洞塑性区半径应变梯度解

力学季刊 2012年第4期33卷 628-634页

作者：谢翔张永强浙江大学建筑工程学院杭州310058

在应变梯度理论框架下,分别采用双剪屈服准则和Tresca屈服准则对弹塑性平面均匀受拉孔洞问题进行了分析,得到了相应塑性区半径计算公式,并与基于Mises屈服准则得到的结果进行了对比。研究发现,基于双剪屈服准则得到的解偏小,基于Tresca... 详细信息

在应变梯度理论框架下,分别采用双剪屈服准则和Tresca屈服准则对弹塑性平面均匀受拉孔洞问题进行了分析,得到了相应塑性区半径计算公式,并与基于Mises屈服准则得到的结果进行了对比。研究发现,基于双剪屈服准则得到的解偏小,基于Tresca准则得到的解偏大,基于Mises屈服准则得到的解大小介于二者之间。此外,研究结果还表明,塑性区半径随材料硬化指数的增大而增大,且当孔洞的特征尺寸在微米量级时,基于应变梯度理论得到的结果与经典塑性解有显著差异。

关键词： Tresca屈服准则双剪屈服准则应变梯度塑性孔洞

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考虑尺寸效应的厚壁圆筒统一塑性极限解

浙江大学学报（工学版） 2011年第4期45卷 684-687页

作者：高洪伟何丽莎张永强浙江大学航空航天学院浙江杭州310027 浙江大学建筑工程学院浙江杭州310012

为了扩大传统厚壁圆筒塑性极限理论的应用范围,基于俞茂宏统一屈服准则和应变梯度塑性理论,对由拉压强度相等的线性硬化材料组成的受内压厚壁圆筒进行塑性极限分析,得到考虑尺寸效应的厚壁圆筒统一塑性极限解.该统一解可以适用于各种拉... 详细信息

为了扩大传统厚壁圆筒塑性极限理论的应用范围,基于俞茂宏统一屈服准则和应变梯度塑性理论,对由拉压强度相等的线性硬化材料组成的受内压厚壁圆筒进行塑性极限分析,得到考虑尺寸效应的厚壁圆筒统一塑性极限解.该统一解可以适用于各种拉压强度相等的材料,现有相应的传统解均为它的特例.利用得到的统一解,分析圆筒塑性极限荷载的尺寸效应.结果表明,当厚壁圆筒的特征尺寸为μm量级时,塑性极限荷载有显著的尺寸效应.研究厚壁圆筒塑性极限荷载和材料硬化程度的关系,发现塑性极限荷载随着材料的硬化程度增加而增大.

关键词：统一屈服准则应变梯度塑性厚壁圆筒尺寸效应塑性极限