摆脱塑性本构——直接通过离散位错演化研究材料的塑性行为学术资讯

来源：科学通报

近日，华中科技大学黄敏生教授团队于《科学通报》在线发表题为“离散位错动力学算法及其在材料塑性行为模拟中的应用”的评述文章，介绍了不需要任何复杂塑性本构，通过直接模拟位错演化而研究材料塑性变形的离散位错动力学方法，并介绍了该方法在单晶镍基高温合金的塑性变形机理、晶体材料的损伤破坏行为，以及非均质材料塑性行为3个方面的研究进展。

在载荷作用下，晶体材料会经历弹性、塑性变形和损伤断裂几个阶段。其中，塑性变形是永久的、不可恢复的，且与材料的最终破坏失效密切相关。因此，合理地描述和模拟材料的塑性行为是材料强度评定和寿命分析中的重要任务。然而，传统的塑性力学基于连续介质力学框架，通过唯象的屈服准则和流动法则描述塑性变形，不能很好地考虑材料和位错微观结构的影响。离散位错动力学摆脱了唯象塑性本构的束缚，通过直接考虑大量离散位错的演化模拟材料的塑性行为。它能够有效地捕捉位错塞积、缠结、位错网、可持续滑移带等微结构的形成，能够从物理机制上描述材料塑性强/软化、循环塑性、蠕变、损伤等力学响应的位错和材料微结构相关性，为研究塑性行为提供了新的方法和手段。

图1 离散位错动力学3方法体系. (a)DDD-FEM叠加算法，(b)DDD-FEM直接耦合算法，(c)DDD-XFEM直接耦合算法

华中科技大学黄敏生教授团队进一步发展了2维/3维离散位错动力学方法体系，深入完善了离散位错动力学-有限元(DDD-FEM)叠加算法、DDD-FEM同步耦合算法以及离散位错动力学-扩展有限元(DDD-XFEM)同步耦合算法（图1）。基于空位的稳态扩散解，该团队在DDD-FEM叠加方案中引入位错攀移机制；采用双时间步长方案，高效地解决了位错滑移和攀移时间不匹配的问题，从而使在该框架下考虑高温效应的影响成为可能。在DDD-FEM同步耦合算法中，引入新的塑性应变分配方案，更好地考虑了材料自由表面和界面的影响；发展了新的位错应力场计算方案，从而显著地提高了算法的效率和速度。在DDD-XFEM同步耦合算法中，提出了更为合理的位错芯扩充形函数；发展了更高效的位错应力计算方案，可有效研究富含各类强/弱界面(如晶界、相界、孔洞、裂纹等)材料的塑性问题。

采用以上算法，该团队研究了单晶镍基高温合金强化、塑性各向异性、拉压不对称性、屈服反常温度相关性行为的位错机理，并在此基础上发展了包含位错和微结构信息单晶镍基高温合金晶体塑性本构关系；详细探讨了微损伤孔洞长大、裂尖损伤演化、裂纹扩展和裂尖塑性变形的内在机理，从介观位错角度深入认识了材料的损伤破坏行为；深入揭示了诸如晶粒尺度效应（即Hall-Petch效应）、多层薄膜层厚尺度效应、微柱压缩尺度效应的内在机理，探讨了几何必需位错、位错饥饿、位错源截断、材料微结构对非均质材料塑性变形的影响。

目前，离散位错动力学在化学腐蚀环境、高速冲击载荷作用、核环境中子辐照条件下材料塑性力学行为的研究方兴未艾，是研究晶体材料在极端条件下(高温、高应变率、化学腐蚀环境、高辐照等)塑性行为及其内在机理的有效手段，值得金属学学者和力学工作者的进一步关注和研究。

来源：kexuetongbao 科学通报

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