复杂加载下微观弹塑性变形的尺度效应研究
发布时间：2020-09-28 11:12
微尺度金属材料在微机电系统中的应用越来越广泛,是产品智能化的推动力,其力学性能明显区别于宏观尺度下的力学响应,主要表现为一系列的尺度效应,也就是说,金属材料的屈服强度等力学性能与试件尺寸密切相关。宏观经典塑性理论不包含尺寸参数,故不能捕捉尺度效应。本文基于应变梯度弹塑性理论,分析微尺度金属材料在弹塑性变形过程中出现的各类非经典塑性力学现象。具体的研究内容如下:1.建立了简化的应变梯度弹塑性模型。忽略了与应变梯度功共轭的高阶应力和弹性特征尺寸参数,使得模型中仅有一个材料特征尺寸,重新构建了完全有效弹塑性应变的表达式。算例结果表明,这一简化理论能够确保预测的精确度。2.研究了金属丝在拉扭循环复杂加载路径下的力学响应。对不同程度预拉伸变形的金属丝进行循环扭转加载,金属丝在预拉伸后的循环扭转阶段仍然具有较为明显的尺度效应。但是,预拉伸变形使得扭转过程中的屈服强度尺度效应减弱。基于Taylor塑性流动法则,预拉伸变形减少了金属丝扭转过程的纯弹性变形范围,当预拉伸变形足够大时,金属丝的扭转过程直接从塑性变形开始。在循环扭转过程中,预拉伸变形会降低超强包辛格效应和塑性软化,预拉伸变形弱化了梯度硬化。此研究表明,金属丝扭转强度还与其制造历史有关,为文献中报道的微尺度扭转实验相互间的差异提供了一种可能的解释。3.综合考虑惯性效应、梯度效应和温度效应求解了孔洞的动态生长问题。研究表明,在孔洞生长早期,惯性效应会阻碍孔洞的生长,较大的孔洞其惯性效应的阻碍程度也较高,生长到一定阶段,惯性效应又会促进孔洞持续性生长。梯度效应会极大地提高孔洞表面附近的屈服强度,且由于屈服函数中弹性极限处的屈服强度大于宏观尺度下的屈服强度,导致梯度效应对孔洞表面附近有极大的硬化作用,提高了微尺度孔洞动态生长的临界应力,延迟了孔洞的动态生长。高速加载条件下,孔洞生长中塑性变形所做的功大部分会转化为热能,从而导致孔洞表面局部温度上升,甚至会达到金属材料的熔点,这一温升可以导致孔洞表面附近的热软化,降低了孔洞快速生长所需的临界应力,一定程度抵消了梯度效应对孔洞表面附近的硬化作用,推进了孔洞的快速生长。分析了不同加载速率以及不同程度静水拉压载荷下孔洞的动态生长行为,较大的加载速率会推动孔洞快速生长并最终达到某一稳定值,较高程度的远场静水拉压载荷才会提高孔洞最终的生长速率。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TG113.25;O344
【部分图文】：
系统技术（MST:microsystemtechnology）和微机电系统（MEMS:microelectromechanicalsystem）在各类高新技术产业中的广泛应用，金属材料的微型化已成为工业发展的一大趋势。MEMS 是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS 最初被应用于汽车安全气囊的加速传感器，而后又以传感器的方式被大量应用于汽车的各个领域，如MEMS 陀螺仪和 MEMS 麦克风等。近年来兴起的运动穿戴设备也加入了 MEMS 传感器来进行实时的运动状况监测，图 1.1（a）是一款运动智能手表的内部零件展示图，它包含了多个 MEMS 传感器以实现精确、快速、实时和方便的运动数据监测和上传。世界首台 MEMS 微激光投影仪—新锦 LTV 于 2015 年年底上市，如图 1.1（b）所示，这款尺度只有手掌大小的投影仪，却能投放出 100 寸大小的屏幕，且具有光路损耗小（约 3%的损耗）、色彩范围广、结构相对简单、分辨率高和可用于便携式微投等特点。此外，MEMS 传感器在医用领域也被用来实时测量血压、体温、血糖、脑电波等生物信号。总而言之，MEMS 的发展正引领着下一代的工业革命。
金属材料在微观尺度下表现出了一些和其在宏观尺度下所不同甚至相反的“不可思议”的现象，呈现出其特有的尺度效应。也就是说，金属材料在微尺度量级下的一些力学性能（包括屈服强度、硬度、断裂强度、残余应力、传导率和疲劳特性等）和其尺度大小息息相关。例如，Fleck 等[2]人利用不同直径的微尺度细铜丝进行了拉伸及扭转试验，如图 1.2（a）所示，在铜丝的扭转实验中发现，当 a 0. 3时，直径为12 μm 铜丝的无量纲化转矩大约是直径为170 m铜丝无量纲化转矩的 3 倍，但在铜丝的拉伸均匀变形中，不同直径样本的应力变化情况差异性很小，可以忽略不计；St lken 和 Evans[4]在微尺度梁的弯曲实验中观察到，当薄镍梁的厚度从100 m减少到12. 5 m时，其无量纲化的弯曲强度大约增强了 2 倍；Kiener 等[5]在微弯曲实验中发现了塑性软化现象；Nix 和 Gao[3]在微米压痕实验中观察到，如图 1.2（b）所示，压痕硬度和压痕深度成反比；Fang 和Wickert[6, 7]在薄膜的实验中观察到，较薄薄膜和较厚薄膜的后屈曲行为和应变明显有所不同；Greerden 等[8, 9]在压缩实验中观察到，材料的压缩强度和强化率会随着尺度的减小而增加。
复杂加载下微观弹塑性变形的尺度效应研究，Voigt[28]等提出，物体内除了力还有力偶的存在，力传统应力张量ij 的基础上，又引入了偶应力张量ij 的rat 兄弟于 1909 年第一次比较完整地提出了偶应力理ratcontinuumtheory），构建了与微转动对应的旋转梯度，唯象地描述了经典塑性理论所不能解释的尺度效Cosserat 连续介质理论沉寂了很长时间，直到 19 世界以及人们对材料微尺度化的需求，应变梯度理论又引起
本文编号：2828717
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TG113.25;O344
【部分图文】：
系统技术（MST:microsystemtechnology）和微机电系统（MEMS:microelectromechanicalsystem）在各类高新技术产业中的广泛应用，金属材料的微型化已成为工业发展的一大趋势。MEMS 是指可批量制作的，集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS 最初被应用于汽车安全气囊的加速传感器，而后又以传感器的方式被大量应用于汽车的各个领域，如MEMS 陀螺仪和 MEMS 麦克风等。近年来兴起的运动穿戴设备也加入了 MEMS 传感器来进行实时的运动状况监测，图 1.1（a）是一款运动智能手表的内部零件展示图，它包含了多个 MEMS 传感器以实现精确、快速、实时和方便的运动数据监测和上传。世界首台 MEMS 微激光投影仪—新锦 LTV 于 2015 年年底上市，如图 1.1（b）所示，这款尺度只有手掌大小的投影仪，却能投放出 100 寸大小的屏幕，且具有光路损耗小（约 3%的损耗）、色彩范围广、结构相对简单、分辨率高和可用于便携式微投等特点。此外，MEMS 传感器在医用领域也被用来实时测量血压、体温、血糖、脑电波等生物信号。总而言之，MEMS 的发展正引领着下一代的工业革命。
金属材料在微观尺度下表现出了一些和其在宏观尺度下所不同甚至相反的“不可思议”的现象，呈现出其特有的尺度效应。也就是说，金属材料在微尺度量级下的一些力学性能（包括屈服强度、硬度、断裂强度、残余应力、传导率和疲劳特性等）和其尺度大小息息相关。例如，Fleck 等[2]人利用不同直径的微尺度细铜丝进行了拉伸及扭转试验，如图 1.2（a）所示，在铜丝的扭转实验中发现，当 a 0. 3时，直径为12 μm 铜丝的无量纲化转矩大约是直径为170 m铜丝无量纲化转矩的 3 倍，但在铜丝的拉伸均匀变形中，不同直径样本的应力变化情况差异性很小，可以忽略不计；St lken 和 Evans[4]在微尺度梁的弯曲实验中观察到，当薄镍梁的厚度从100 m减少到12. 5 m时，其无量纲化的弯曲强度大约增强了 2 倍；Kiener 等[5]在微弯曲实验中发现了塑性软化现象；Nix 和 Gao[3]在微米压痕实验中观察到，如图 1.2（b）所示，压痕硬度和压痕深度成反比；Fang 和Wickert[6, 7]在薄膜的实验中观察到，较薄薄膜和较厚薄膜的后屈曲行为和应变明显有所不同；Greerden 等[8, 9]在压缩实验中观察到，材料的压缩强度和强化率会随着尺度的减小而增加。
复杂加载下微观弹塑性变形的尺度效应研究，Voigt[28]等提出，物体内除了力还有力偶的存在，力传统应力张量ij 的基础上，又引入了偶应力张量ij 的rat 兄弟于 1909 年第一次比较完整地提出了偶应力理ratcontinuumtheory），构建了与微转动对应的旋转梯度，唯象地描述了经典塑性理论所不能解释的尺度效Cosserat 连续介质理论沉寂了很长时间，直到 19 世界以及人们对材料微尺度化的需求，应变梯度理论又引起
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 路冬;蔡力钢;杨铭铭;;基于MSG理论的微切削加工有限元仿真研究[J];系统仿真学报;2013年12期
2 李茂林;扶名福;;基于应变梯度理论的粘塑性厚壁圆筒和球壳极限内压分析[J];应用数学和力学;2008年12期
3 陈少华,王自强;应变梯度理论进展[J];力学进展;2003年02期
本文编号：2828717
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/lxlw/2828717.html
