单晶铜塑性变形的二维离散位错动力学模拟研究

针对亚微米尺度晶体元器件在加工和服役中出现的反常力学行为和动态变形等问题,基于离散位错动力学理论建立了单晶铜塑性变形过程的二维离散位错动力学模型。该模型考虑外加载荷、位错间相互力和自由表面镜像力对位错的作用机制,引入了截断位错速度准则。与微压缩实验对比验证了模型的正确性,并且能够描述力加载描述的位错雪崩现象。应用该模型分析了不同加载方式和应变率下位错演化及力学行为,结果表明:当外部约束为力加载和位移加载时,应力应变曲线分别呈现出台阶状的应变突增和锯齿状的应力陡降,位错雪崩效应的内在机制则分别归结为位错速度的随机性和位错源开动的间歇性;应变率在102～4×104 s?1范围内,单晶铜屈服应力的应变率敏感性发生改变,位错演化特征由单滑移转变为多滑移面激活的均匀变形,位错增殖逐渐代替位错源激活作为流动应力的主导机制。      

孪生诱发软化与强化效应的Cu晶体塑性行为模拟

基于晶体塑性理论,考虑孪生软化效应建立了描述孪晶形核、增殖和长大的位错密度基晶体塑性有限元模型。应用该模型揭示了不同晶体取向Cu单晶拉伸变形过程中位错滑移、孪生激活及其交互作用下的宏观塑性行为演化规律,进一步分析了Cu多晶拉伸变形过程中晶粒间交互作用对孪生软化、应变硬化等宏观塑性行为的影响。结果表明：孪生具有明显的取向效应,在孪生主导塑性条件下,Cu单晶塑性变形过程中孪晶增殖导致应力-应变曲线存在明显的应力突降现象,其塑性变形分为滑移、孪生及位错与孪晶交互作用3个阶段;此外,随着饱和孪晶体积分数增加,Cu单晶塑性变形过程中第3阶段的应变硬化率也随之提升。进一步模拟Cu多晶拉伸变形的塑性行为可知,在晶粒间交互作用下孪晶形核、增殖和长大过程中不会出现应力突降现象,与Cu单晶相比整个塑性变形过程具有更高的应变硬化率;Cu多晶塑性变形过程中位错密度在晶界处出现集中现象,孪晶也容易在晶界处形成。     

孪生诱发软化与强化效应的Cu晶体塑性行为模拟

基于晶体塑性理论,考虑孪生软化效应建立了描述孪晶形核、增殖和长大的位错密度基晶体塑性有限元模型。应用该模型揭示了不同晶体取向Cu单晶拉伸变形过程中位错滑移、孪生激活及其交互作用下的宏观塑性行为演化规律,进一步分析了Cu多晶拉伸变形过程中晶粒间交互作用对孪生软化、应变硬化等宏观塑性行为的影响。结果表明：孪生具有明显的取向效应,在孪生主导塑性条件下,Cu单晶塑性变形过程中孪晶增殖导致应力-应变曲线存在明显的应力突降现象,其塑性变形分为滑移、孪生及位错与孪晶交互作用3个阶段;此外,随着饱和孪晶体积分数增加,Cu单晶塑性变形过程中第3阶段的应变硬化率也随之提升。进一步模拟Cu多晶拉伸变形的塑性行为可知,在晶粒间交互作用下孪晶形核、增殖和长大过程中不会出现应力突降现象,与Cu单晶相比整个塑性变形过程具有更高的应变硬化率;Cu多晶塑性变形过程中位错密度在晶界处出现集中现象,孪晶也容易在晶界处形成。     

基于三维离散位错动力学的fcc结构单晶压缩应变率效应研究

基于位错理论建立了Ni单晶微柱压缩变形过程的三维离散位错动力学模型,该模型考虑了晶体塑性变形过程中位错所受的外载荷、位错间相互作用力、位错线张力及自由表面镜像力的影响。应用该模型研究了Ni单晶微柱压缩变形过程中流动应力和变形机制的应变率效应,同时,结合理论分析研究了应变率对流动应力中有效应力、位错源激活应力和位错间弹性相互作用力的影响。结果表明:当应变率较低时,Ni单晶微柱压缩变形中位错源激活应力主导流动应力,位错源激活数量较少,初始位错密度对流动应力影响很小,呈现单滑移变形;随着应变率增加,晶体变形过程中的流动应力随之增加,流动应力中位错源激活应力所占比例逐渐减小,有效应力逐渐主导流动应力,同时激活多个滑移系内的位错源来协调塑性变形;应变率越高,各激活滑移系内的塑性应变贡献相差越小,单晶微柱变形逐渐由单滑移向多滑移机制转变;在高应变率条件下,晶体初始位错密度越高塑性变形过程中流动应力越小。