發(fā)布時間：2020-09-28 11:12

　　 微尺度金屬材料在微機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛,是產(chǎn)品智能化的推動力,其力學(xué)性能明顯區(qū)別于宏觀尺度下的力學(xué)響應(yīng),主要表現(xiàn)為一系列的尺度效應(yīng),也就是說,金屬材料的屈服強(qiáng)度等力學(xué)性能與試件尺寸密切相關(guān)。宏觀經(jīng)典塑性理論不包含尺寸參數(shù),故不能捕捉尺度效應(yīng)。本文基于應(yīng)變梯度彈塑性理論,分析微尺度金屬材料在彈塑性變形過程中出現(xiàn)的各類非經(jīng)典塑性力學(xué)現(xiàn)象。具體的研究內(nèi)容如下:1.建立了簡化的應(yīng)變梯度彈塑性模型。忽略了與應(yīng)變梯度功共軛的高階應(yīng)力和彈性特征尺寸參數(shù),使得模型中僅有一個材料特征尺寸,重新構(gòu)建了完全有效彈塑性應(yīng)變的表達(dá)式。算例結(jié)果表明,這一簡化理論能夠確保預(yù)測的精確度。2.研究了金屬絲在拉扭循環(huán)復(fù)雜加載路徑下的力學(xué)響應(yīng)。對不同程度預(yù)拉伸變形的金屬絲進(jìn)行循環(huán)扭轉(zhuǎn)加載,金屬絲在預(yù)拉伸后的循環(huán)扭轉(zhuǎn)階段仍然具有較為明顯的尺度效應(yīng)。但是,預(yù)拉伸變形使得扭轉(zhuǎn)過程中的屈服強(qiáng)度尺度效應(yīng)減弱�；�于Taylor塑性流動法則,預(yù)拉伸變形減少了金屬絲扭轉(zhuǎn)過程的純彈性變形范圍,當(dāng)預(yù)拉伸變形足夠大時,金屬絲的扭轉(zhuǎn)過程直接從塑性變形開始。在循環(huán)扭轉(zhuǎn)過程中,預(yù)拉伸變形會降低超強(qiáng)包辛格效應(yīng)和塑性軟化,預(yù)拉伸變形弱化了梯度硬化。此研究表明,金屬絲扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度還與其制造歷史有關(guān),為文獻(xiàn)中報(bào)道的微尺度扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)相互間的差異提供了一種可能的解釋。3.綜合考慮慣性效應(yīng)、梯度效應(yīng)和溫度效應(yīng)求解了孔洞的動態(tài)生長問題。研究表明,在孔洞生長早期,慣性效應(yīng)會阻礙孔洞的生長,較大的孔洞其慣性效應(yīng)的阻礙程度也較高,生長到一定階段,慣性效應(yīng)又會促進(jìn)孔洞持續(xù)性生長。梯度效應(yīng)會極大地提高孔洞表面附近的屈服強(qiáng)度,且由于屈服函數(shù)中彈性極限處的屈服強(qiáng)度大于宏觀尺度下的屈服強(qiáng)度,導(dǎo)致梯度效應(yīng)對孔洞表面附近有極大的硬化作用,提高了微尺度孔洞動態(tài)生長的臨界應(yīng)力,延遲了孔洞的動態(tài)生長。高速加載條件下,孔洞生長中塑性變形所做的功大部分會轉(zhuǎn)化為熱能,從而導(dǎo)致孔洞表面局部溫度上升,甚至?xí)�達(dá)到金屬材料的熔點(diǎn),這一溫升可以導(dǎo)致孔洞表面附近的熱軟化,降低了孔洞快速生長所需的臨界應(yīng)力,一定程度抵消了梯度效應(yīng)對孔洞表面附近的硬化作用,推進(jìn)了孔洞的快速生長。分析了不同加載速率以及不同程度靜水拉壓載荷下孔洞的動態(tài)生長行為,較大的加載速率會推動孔洞快速生長并最終達(dá)到某一穩(wěn)定值,較高程度的遠(yuǎn)場靜水拉壓載荷才會提高孔洞最終的生長速率。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TG113.25;O344
【部分圖文】：

系統(tǒng)技術(shù)（MST:microsystemtechnology）和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS:microelectromechanicalsystem）在各類高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用，金屬材料的微型化已成為工業(yè)發(fā)展的一大趨勢。MEMS 是指可批量制作的，集微型機(jī)構(gòu)、微型傳感器、微型執(zhí)行器以及信號處理和控制電路、直至接口、通信和電源等于一體的微型器件或系統(tǒng)。MEMS 最初被應(yīng)用于汽車安全氣囊的加速傳感器，而后又以傳感器的方式被大量應(yīng)用于汽車的各個領(lǐng)域，如MEMS 陀螺儀和 MEMS 麥克風(fēng)等。近年來興起的運(yùn)動穿戴設(shè)備也加入了 MEMS 傳感器來進(jìn)行實(shí)時的運(yùn)動狀況監(jiān)測，圖 1.1（a）是一款運(yùn)動智能手表的內(nèi)部零件展示圖，它包含了多個 MEMS 傳感器以實(shí)現(xiàn)精確、快速、實(shí)時和方便的運(yùn)動數(shù)據(jù)監(jiān)測和上傳。世界首臺 MEMS 微激光投影儀—新錦 LTV 于 2015 年年底上市，如圖 1.1（b）所示，這款尺度只有手掌大小的投影儀，卻能投放出 100 寸大小的屏幕，且具有光路損耗�。�約 3%的損耗）、色彩范圍廣、結(jié)構(gòu)相對簡單、分辨率高和可用于便攜式微投等特點(diǎn)。此外，MEMS 傳感器在醫(yī)用領(lǐng)域也被用來實(shí)時測量血壓、體溫、血糖、腦電波等生物信號�？偠�言之，MEMS 的發(fā)展正引領(lǐng)著下一代的工業(yè)革命。

金屬材料在微觀尺度下表現(xiàn)出了一些和其在宏觀尺度下所不同甚至相反的“不可思議”的現(xiàn)象，呈現(xiàn)出其特有的尺度效應(yīng)。也就是說，金屬材料在微尺度量級下的一些力學(xué)性能（包括屈服強(qiáng)度、硬度、斷裂強(qiáng)度、殘余應(yīng)力、傳導(dǎo)率和疲勞特性等）和其尺度大小息息相關(guān)。例如，F(xiàn)leck 等[2]人利用不同直徑的微尺度細(xì)銅絲進(jìn)行了拉伸及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，如圖 1.2（a）所示，在銅絲的扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng) a 0. 3時，直徑為12 μm 銅絲的無量綱化轉(zhuǎn)矩大約是直徑為170 m銅絲無量綱化轉(zhuǎn)矩的 3 倍，但在銅絲的拉伸均勻變形中，不同直徑樣本的應(yīng)力變化情況差異性很小，可以忽略不計(jì)；St lken 和 Evans[4]在微尺度梁的彎曲實(shí)驗(yàn)中觀察到，當(dāng)薄鎳梁的厚度從100 m減少到12. 5 m時，其無量綱化的彎曲強(qiáng)度大約增強(qiáng)了 2 倍；Kiener 等[5]在微彎曲實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了塑性軟化現(xiàn)象；Nix 和 Gao[3]在微米壓痕實(shí)驗(yàn)中觀察到，如圖 1.2（b）所示，壓痕硬度和壓痕深度成反比；Fang 和Wickert[6, 7]在薄膜的實(shí)驗(yàn)中觀察到，較薄薄膜和較厚薄膜的后屈曲行為和應(yīng)變明顯有所不同；Greerden 等[8, 9]在壓縮實(shí)驗(yàn)中觀察到，材料的壓縮強(qiáng)度和強(qiáng)化率會隨著尺度的減小而增加。

復(fù)雜加載下微觀彈塑性變形的尺度效應(yīng)研究，Voigt[28]等提出，物體內(nèi)除了力還有力偶的存在，力傳統(tǒng)應(yīng)力張量ij 的基礎(chǔ)上，又引入了偶應(yīng)力張量ij 的rat 兄弟于 1909 年第一次比較完整地提出了偶應(yīng)力理ratcontinuumtheory），構(gòu)建了與微轉(zhuǎn)動對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)梯度，唯象地描述了經(jīng)典塑性理論所不能解釋的尺度效Cosserat 連續(xù)介質(zhì)理論沉寂了很長時間，直到 19 世界以及人們對材料微尺度化的需求，應(yīng)變梯度理論又引起

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 路冬;蔡力鋼;楊銘銘;;基于MSG理論的微切削加工有限元仿真研究[J];系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào);2013年12期

2 李茂林;扶名福;;基于應(yīng)變梯度理論的粘塑性厚壁圓筒和球殼極限內(nèi)壓分析[J];應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué);2008年12期

3 陳少華,王自強(qiáng);應(yīng)變梯度理論進(jìn)展[J];力學(xué)進(jìn)展;2003年02期

本文編號：2828717