随着数值模拟软件的普及,有限元分析在新产品的设计开发,寻找设计薄弱点,以及后续损伤失效分析中的应用越来越广泛,而准确的本构模型是确保数值分析精度的必要条件。作为材料力学行为的数值表达,本构模型的基本任务之一是表征材料在不同加载条件下的应力-应变关系。材料力学性能受诸多因素影响,开发适用性更广、准确性更高的本构模型一直是研究的热点问题。不同材料的宏观属性各不相同,即使同种材料,采用不同制造工艺,微观结构也会存在差异,导致宏观力学性能发生改变。粘塑性变形是金属构件常见的变形行为,多数固体材料在高温条件下（相对熔点而言）,其应力的演化不只与加载方式有关,还和加载速率有关,对于正率敏感性材料,通常加载率越高,得到的应力饱和值越大,而随着温度的升高,应力饱和值减小,体现为热导致的软化现象。材料种类、制造工艺、热处理、微观结构、温度、加载率等变量对力学性能的影响给本构模型的开发提出了巨大挑战。本文以热-力条件下金属材料粘塑性变形为研究对象,主要以微电子封装焊接材料为载体,对在工业实际中应用更为广泛的宏观本构模型进行研究和完善。目前宏观本构模型主要分为两种:宏观唯象模型和基于特定物理机制的本构模型。唯象模型作为最先提出的本构建模思路,以试验现象为入手点,具有形式简单、参数少、拟合容易等优点,从而成为工业界应用最为广泛的本构形式。随着研究的不断深入,表征材料应力-应变关系已经不是本构模型唯一的任务,挖掘现象背后的本质,对变形过程中物理机理的描述受到了越来越多的关注。同时,以物理本质为建模基础,可以增强模型的科学性与合理性。金属材料不可恢复变形主要是位错运动导致的,因此逐渐发展起来了基于位错理论的本构模型。本文先从热-力加载条件下金属材料宏观唯象模型入手,通过分析材料变形机理及位错密度演化,建立了基于位错密度的粘塑性本构模型。主要工作如下:在宏观唯象本构理论基础上,对统一蠕变塑性本构模型进行完善并应用于焊料力学行为模拟,然后与开发的损伤模型耦合,预测焊料的疲劳寿命。通过加入等向和随动硬化模型,将统一蠕变塑性模型用于模拟含铅焊料Pb-3.5Sn和无铅焊料Sn-3.5Ag及Sn-3.9Ag-0.6Cu在特定加载条件下的应力-应变关系。模拟结果表明该模型能够较好地描述上述三种焊料的应力-应变关系。然后基于连续介质损伤力学的相关理论,推导出了适用于焊料的新的疲劳损伤模型。通过引入温度项,该模型考虑了温度对损伤萌生及扩展的影响。最后将损伤模型和统一蠕变塑性本构模型进行全耦合,编程带入到ABAQUS有限元计算中,实现了焊料疲劳的全过程模拟。通过与试验数据对比,表明该损伤模型能够较好地模拟焊料损伤演化,能够合理描述焊料损伤累积的特点及趋势,能够准确预测焊料的疲劳寿命。金属材料的率敏感性通常随温度的变化而变化,而统一蠕变塑性模型只包含一个率相关指数,不能很好地模拟这种现象。因此分析了金属材料率敏感性随温度演化的规律,并以此为基础,开发了相应的本构模型。通过分析Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料在不同温度和不同加载率下的应力-应变曲线,发现该焊料的率敏感性随温度的演化可以分为三个阶段:第一个阶段,随着温度升高,材料率敏感性逐渐增强,直至进入第二个阶段,当温度处于该区间时,率敏感性基本保持不变。温度继续升高进入第三个阶段后,率敏感性随温度升高逐渐减小。为了对比分析,同时研究了高强合金钢在高温条件下温度对率敏感性的影响,发现其演化规律同样呈三个阶段,第一和第二阶段与焊料相同,在进入第三个阶段后,率敏感性演化趋势与Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料相反,表现为随着温度升高,率敏感性再次增强。基于上述发现,从率敏感性与温度的演化关系入手,采用分段模拟的方法,开发出了新的统一蠕变塑性本构模型。通过模拟Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料和高强合金钢在不同温度和加载率下的试验数据,证明该模型能够较好地描述两种材料的粘塑性变形。唯象模型虽能较好地描述金属材料在热-力加载下的变形,但是缺乏物理背景支持,相关参数物理意义也不明确,为了使本构能够在描述试验现象的同时表征相应的物理变形机制,在统一蠕变塑性理论的基础上,结合J₂流动法则,开发了基于位错密度理论的三维本构模型,其中非弹性应变与移动位错密度关联,材料强度增大则通过计算固定位错密度演化得到。通过考虑应变硬化和动态恢复对材料内部平均位错密度演化的影响,以位错密度为内变量,将传统基于位错密度理论的一维本构模型扩展到了三维条件下,并给出了相应的隐式算法。通过编写相应的UMAT,并用于模拟Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料在高应变率下的应力-应变试验数据,证明了该模型的准确性。然后将该模型用于新型3D封装结构的跌落仿真中,结合有限元子模型分析,成功找出了结构的易损点。由于开发的基于位错密度的本构模型不适用于循环加载,故通过考虑静态恢复和应力状态对位错演化的影响,对该模型进行了修正和完善,使其能够用于动态加载的情况。在金属材料变形过程中,除了动态恢复,静态恢复也会减小位错密度,而应力状态的改变,尤其是应力的反向改变,对位错恢复会起到促进作用。通过分别考虑开始加载且未至屈服、屈服阶段、卸载及反向加载未至屈服四个阶段不同恢复机制对位错密度的影响,得到了位错密度随加载条件的动态演化,从而实现了对循环加载的模拟。为了验证该模型对焊料的适用性,拟合了P91钢在不同温度和加载率下的试验数据,进行了Sn-3.0Ag-0.5Cu合金在20℃和50℃,应变率分别为0.02/s,0.002/s及0.0002/s时的拉压循环加载试验,并拟合试验数据。证明该模型能够较好地描述Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料和P91钢在不同条件下的应力-应变关系。