1.4 本书的研究成果

在工程结构当中金属材料是应用广泛的材料，能否准确地描述其本构关系、材料特性和破坏特征是研究结构强度破坏问题和结构寿命估计的关键。材料的内部结构不同，材料的破坏方式可以有很大的不同，材料的破坏同时直接关系到整个结构的破坏，为了确保各种金属结构的安全，需要透彻了解金属破坏的规律，从物理机制上揭示破坏现象产生的原因，从而发展合理的预测结构强度或其寿命的分析方法。

经典宏观本构模型没有反映与材料微结构相关的变形机制，在合理描述塑性各向异性以及循环加载和复杂非比例加载方面存在很大的局限性。本书以考虑材料微结构以及微结构演化的晶体塑性理论为基础，通过试验测试、数值模拟和理论分析对金属材料的滑移变形、后继屈服面演化、塑性流动规律、循环硬化的各向异性、多晶体细观变形的不均匀性、多晶材料的疲劳破坏机理等细观力学行为进行了较为全面的分析。其研究成果主要表现在以下几个方面：

（1）针对人们对晶体塑性连续滑移描述合理性存在的疑问，采用晶体塑性模型分别对［100］、［110］、［210］、［111］、［123］等五种取向以及缺口试样的单晶纯铜进行了有限元变形模拟，通过晶体塑性滑移面与试样表面的交线的几何分析，得到了试样在各种加载情形下不同滑移系启动产生的试样表面滑移带痕迹。模拟呈现的滑移带特征与试验过程中观察现象一致，从试样滑移带计算的角度证实了建立在连续滑移描述基础上的晶体塑性理论用于描述单晶力学行为的合理性。

（2）通过单轴拉伸下多晶铜试样表面滑移带特征的模拟研究以及多晶实验观测，证实了用单晶滑移本构关系与多晶集合体代表性单元相结合的方法来模拟多晶金属材料力学行为的可行性。计算所得到的试样表面各晶粒的滑移带所表现的样式与实验观察现象较为吻合，对材料变形过程中应力、应变的不均匀统计分析可以合理地反映由微结构演化引起的多晶体变形的不均匀性。

（3）对材料后继屈服和塑性流动规律的描述是塑性本构理论的基础，作者利用晶体塑性理论并结合Voronoi多晶集合体代表性单元，通过主应力双向加载的方式得到了材料的初始屈服面及预剪切和预拉伸两种情形下的后继屈服面。通过对多晶材料后继屈服面演化趋势和塑性流动规律理论描述的研究，发现多晶金属后继屈服面形状的变化以及与塑性流动的正交性不仅与屈服定义相关，还与预加载方向相关。结果表明：利用单晶本构关系模拟多晶材料，实现了现有宏观塑性理论不能合理描述的宏观实验现象的预测。

（4）考虑金属材料细观变形流动的各向异性以及晶体滑移的非线性运动硬化，在经典晶体塑性模型的基础上引入了背应力描述。结合拉压对称应变循环试验，以Voronoi多晶集合体作为材料的代表性单元，对多晶金属材料在不同应变幅的循环加载下其复杂力学行为进行了模拟研究。得到了多晶材料在不同应变幅下的循环滞回环和循环过程中不同位置的后继屈服面，以及材料从拉伸向压缩过渡过程中后继屈服面的形状变化。证实了本书建议的模型和方法不仅可以反映包兴格效应，而且可以合理地描述多晶材料不同应变幅下与宏观试验相吻合的循环滞回性能，得到的材料循环过程中后继屈服面的演化规律能够反映材料塑性变形诱导的各向异性硬化。

（5）结合低循环疲劳寿命试验，对不同应变幅下的低循环加载过程进行了模拟。根据模拟结果，采用细观统计方法对疲劳加载过程中多晶体内部的微观应力、应变以及材料微结构的不均匀转动做了详细的分析。在统计分析的基础上建议了一种材料低循环破坏的晶体塑性统计分析新方法，并得到了试验的初步证实。