【摘 要】
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在高温及氢等极端环境下的材料宏观力学行为与其细观变形机制有着密切关系。如何实现材料细观变形机理与宏观力学行为的多尺度关联,一直是固体力学亟待解决的核心科学问题,其有效途径之一是发展基于材料细观变形机制的晶体塑性本构理论。根据相关实验和离散位错动力学模拟提供的视野,本文总结了高温环境下的位错攀移机制和氢环境下的氢增强局部塑性机制的主要特征,针对三个不同的科学问题分别发展了基于位错密度的晶体塑性模型。
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在高温及氢等极端环境下的材料宏观力学行为与其细观变形机制有着密切关系。如何实现材料细观变形机理与宏观力学行为的多尺度关联,一直是固体力学亟待解决的核心科学问题,其有效途径之一是发展基于材料细观变形机制的晶体塑性本构理论。根据相关实验和离散位错动力学模拟提供的视野,本文总结了高温环境下的位错攀移机制和氢环境下的氢增强局部塑性机制的主要特征,针对三个不同的科学问题分别发展了基于位错密度的晶体塑性模型。通过有限元计算,模拟了典型晶体材料在不同服役环境下的力学行为,再现了主要实验现象,揭示了其内在物理机制,证实了模型的合理性及算法的有效性。本文的主要研究内容及创新性工作包括:（1）根据基于位错密度的晶体塑性本构模型的特点,发展了一套以中间构型塑性速度梯度张量和位错密度为独立变量的完全隐式数值算法。该算法被用于本文发展的晶体塑性模型的有限元数值实现,表现出较好的通用性和计算效率。（2）针对高温下晶体材料的塑性和蠕变行为,发展了一个考虑位错攀移机制的基于位错密度的晶体塑性模型。该模型中,位错攀移对塑性变形的影响被分为三个部分:位错攀移的运动学贡献、位错攀移强化刃型位错可动性以及刃型位错的攀移湮灭。该模型被用于单晶铝的热压缩和高温蠕变的有限元模拟,模拟结果表明:该模型能够有效地捕捉低应变率下单晶铝热压缩的温度依赖性和蠕变的幂律行为,显示出与实验结果良好的一致性;位错攀移一方面通过攀移湮灭增加了刃型位错的湮灭率,另一方面又通过增加刃型位错可动性提高了螺位错的增殖率;相比于位错攀移强化刃型位错可动性对塑性变形的贡献,位错攀移的运动学贡献在大多数情况下是次要因素。（3）针对高温下晶体材料变形的微尺度效应,通过引入几何必需位错密度的演化,发展了一个考虑位错攀移对微尺度效应影响的基于位错密度的晶体塑性模型。根据相关实验和位错动力学模拟结果,位错在材料中各种界面处的塞积是导致微尺度效应的主要机制之一。为了刻画高温下晶体材料的微尺度效应,该晶体塑性模型考虑了界面处位错塞积对位错源的抑制作用,以及高温下位错攀移对该抑制作用的松弛效应。该模型被用于微悬臂梁弯曲的有限元模拟,再现了实验和离散位错动力学模拟中温度对尺度效应的影响,并揭示了其内在物理机制。（4）针对氢对面心立方多晶材料塑性变形的影响,发展了一个考虑氢增强局部塑性机制的基于位错密度的晶体塑性模型。根据扩展的Gibbs等温吸附理论,该模型重点考虑了氢降低位错线能及其对位错热激活运动和位错密度演化的影响,并解释了氢降低激活体积和总激活自由能的实验现象。随后该模型被用于不同氢浓度下多晶纯钯和纯镍的单轴拉伸力学行为的有限元模拟,计算结果重现了若干重要的实验现象:氢增加了流动应力、氢促进了位错密度增殖、氢推迟了可动位错耗竭以及氢强化了塑性变形的非均匀性,这些现象均归因于氢降低位错线能这一重要物理机制。该模型为进一步实现对氢致损伤失效过程的模拟奠定了坚实基础。
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