先进微制造力学

元器件小型化带来了功耗低、响应快、比容量大等显著优点,但同时也带来了新的技术挑战和科学问题,需要对微纳尺度下材料的机械物理性能及制造工艺进行深入研究。论文围绕先进微纳米制造技术与微纳米力学的密切关系,首先综述了聚焦离子束、纳米压印、3D打印等微纳米材料与结构的先进制造技术,并着重阐述了先进微纳米制造技术在力学前沿课题研究中的重要作用;另一方面,从方法与原理的角度阐述了力学思想和方法对先进微纳米制造技术的指导与促进作用。最后,还对目前一些先进微纳米制造技术及相关前沿力学问题进行了展望。     

含弱界面的微纳尺度双层梁的热弹性分析

众多微尺度实验已经证实了一些材料在微纳尺度下的力学行为具有尺寸效应.这种现象采用经典的弹性理论无法得到合理的解释,因而需要新的理论,修正偶应力理论就是其中一种.采用修正偶应力理论研究微纳尺度下两端自由铁木辛柯双层梁受热载荷后的弯曲响应,考虑两层之间存在弱界面.获得了梁的挠度、曲率以及界面剪力等表达式,并与经典弹性力学的结果进行了比较.通过分析计算可知,采用修正偶应力理论可预测微纳尺度下双层梁的尺寸效应,而当梁的特征尺寸远大于其材料的内禀尺度时,则与经典理论的结果一致.     

固体电介质中的挠曲电效应

挠曲电效应通常描述为非均匀变形如应变梯度引起的电极化或者电场梯度引起的变形。由于应变梯度能够局部破坏晶体的反演对称从而在材料中诱导电极化,因此挠曲电效应是固体电介质材料中普遍存在的一种力电耦合效应。由于应变梯度和电场梯度均随材料尺寸的减小而迅速增大,在宏观尺度通常被忽略的挠曲电效应在微纳尺度反而起着非常重要的作用,会显著影响材料的物理性能。与压电效应和电致伸缩效应相比,挠曲电效应具有独特的尺寸依赖特征,其不受材料对称性和铁电材料居里相变温度的限制。本文综述了固体电介质中的挠曲电效应,并重点从理论、材料和应用方面综述了固体电介质中挠曲电效应的研究进展,对挠曲电效应的独特性能进行了详细地讨论,最后本文展望了固体电介质中挠曲电效应相关研究的开放性问题和发展方向。     

微/纳尺度接触问题计算方法研究进展

接触问题广泛存在于现实生活的众多领域,近来随着微/纳米技术的不断发展,接触力学在基础理论和研究方法上面临许多新的挑战.本文在摩擦学的范畴内,对近年发展的若干求解微/纳尺度接触问题的计算方法及理论进行了综述.按发展先后及所解决问题的尺度范围划分,主要有3类评估微/纳尺度接触性能的计算方法:(1)连续介质力学方法;(2)分子动力学模拟; (3)多尺度方法.介绍了这3类计算方法的典型理论和主要数学描述,给出了这些方法对解决若干微/纳观接触问题如黏着效应、粗糙表面描述、表面摩擦及润滑、表面热效应、生物接触等的主要应用.最后, 探讨了微/纳尺度接触问题计算方法可能的发展方向及应用领域.      

单轴压缩下微纳晶镍的孔洞演化模型

在含孔隙微纳晶材料受单轴压缩载荷下的大塑性变形中,由于孔洞与基体变形的不匹配,在孔洞周围将产生大量的几何必需位错,本文假设这些位错均匀地从孔洞表面向其内部发射,促使孔洞周围先产生局部非均匀变形,从而导致微纳晶镍试样内孔隙率的变化。基于这种假设本文首先建立了单轴压缩载荷下孔洞的演化发展模型,并用此模型预测了孔隙率的变化,将其与实验测定值进行了比较,结果表明孔洞演化发展模型具有一定合理性。在此基础上,讨论了固定孔隙率和演化发展的孔隙率对不同晶粒尺寸和不同应变速率下的纳晶镍试样力学行为的影响。     

钨塑性变形与断裂行为及其辐照效应的研究综述

金属钨具有独特的力学特性和物理化学特性,是核能、航空航天、微机电系统等领域广泛应用的结构材料.钨在服役条件下的变形和断裂行为是影响其服役状态的关键因素之一.但是,钨的塑性变形和断裂表现出异于其它金属材料的力学行为,比如,屈服强度表现出非施密特效应和拉压不对称性,断裂韧性低且具有各向异性、尺寸效应和温度效应,等等.这些特性与钨的位错特性、晶界特性、晶粒尺寸、晶粒取向等微结构紧密相关.辐照条件下高能粒子与钨原子的相互作用会引起其微观组织结构的变化,形成的位错、位错环等辐照缺陷导致钨的辐照硬化和辐照脆化,揭示钨微结构与力学行为之间的物理关系、研究辐照对钨力学行为的影响机制成为近年来关注的热点.论文围绕钨的塑性变形和断裂行为及其辐照效应,从实验、理论、模拟三个方面综述研究者们在原子尺度、位错尺度、单晶尺度、多晶宏观尺度取得的研究成果;最后,对钨力学行为研究方面的重要问题做出展望.     

纳米金属丝拉伸破坏及其应变率效应

建立了适于研究纳米金属快速变形破坏过程的分子动力学模型,并对不同应变率工况下不同截面尺寸单晶镍纳米丝的零温单向拉伸破坏过程进行了分子动力学模拟.模拟得到各种纳米镍丝的应力-应变曲线、屈服应变、屈服强度、断裂强度和初始弹性模量,提出了纳米金属丝快速变形力学性能的应变率效应预测公式并加以验证.计算表明金属纳米丝的屈服应变与尺寸和应变率无关,屈服强度、断裂强度和弹性模量与应变率呈对数关系.     

Cu/Ni多层纳米线力学性能尺寸效应的分子动力学模拟

Cu/Ni多层纳米线因其特殊的结构和优异的物理性能在微/纳电子机械系统(MEMS/NEMS)中有广泛的应用.本文利用分子动力学方法模拟了Cu/Ni多层纳米线的拉伸变形,研究了纳米线屈服应力的尺寸效应,探讨了界面结构的差异对多层纳米线缺陷演化机制的影响.结果表明,带共格界面多层纳米线的屈服应力随单金属层厚度h的减小先升高...     

结构破坏的尺度律

文中综述了结构破坏的尺度律和尺寸效应的研究进展,尤其将重点放在准脆性材料的分析上,因为它们的尺寸效应是重要和复杂的．在回顾了尺寸效应研究的悠远发展史以后。着重讨论了三种主要类型的尺寸效应,即由于强度随机性引起的统计尺寸效应、能量释放的尺寸效应和由于微裂纹或断裂的分形特性可能引起的尺寸效应．得出了这些理论应用的明确结论．之后讨论了如何运用已知的尺寸效应律来测量材料的断裂特性,并采用内聚裂纹模型（cohesivecrackmodel）、非局域化有限元模型和离散元模型等对尺寸效应进行模化．文中还进而分析了尺寸效应在压缩失效和车相关材料行为下的有关问题,并讨论了在断裂扩展区描述含微裂纹材料所需的损伤本构关系．最后也讨论了尺寸效应对准脆性材料的多种应用,这些材料包括,如混凝土、海冰、纤维复合材料、岩石和陶瓷等．本文包含了参考文献377篇     

固体力学跨尺度计算若干问题研究

本文展示了固体力学领域跨尺度计算的若干问题和研究概况。（1）建立位错动力学与有限元耦合DDD-FEM的计算模型,实现了能够基于纳米尺度离散位错运动机制计算分析连续介质有限变形晶体塑性问题,提出微纳尺度（200 nm~10 μm）晶体塑性流动应力解析公式,结合试验数据揭示了在无应变梯度下强度和变形的尺寸效应;（2）建立具有微相分离结构的纳米尺度粗粒化分子动力学模型CG-MD,计算获得聚脲材料在时域和频域下的存储模量和损耗模量,通过动态加载分析的DMA试验和超声波试验的数据验证,解决了连续介质尺度下微相分离高分子共聚物的设计难题;（3）通过数据驱动关联高分辨率的微米尺度CT影像和临床低分辨率的毫米尺度CT影像的特征值,建立了围关节松质骨小梁的等效模量和结构张量,为骨组织增材制造点阵结构设计和实现个性化骨缺损重建奠定了基础。     

Simulation of elastic–plastic deformation and fracture of materials at micro-, meso- and macrolevels

Physical Mesomechanics of materials is a new branch of mechanics that focuses attention on a mesovolume of loaded material. It is a macro particle in classical continuum mechanics and its behavior under load is equivalent to the bulk. The structural elements for a particular application requires specific models while the computational techniques have to be developed.These research groups have been studying heterogeneous materials behavior at the mesolevel under different types of loading. Hierarchical models are developed to study deformation and fracture of solids at the micro- meso- and macrolevels. Taken into account are the influence of micro- and mesostructure of loaded material in relation to its macro behavior.This work focuses on unifying the method of approach to be supported by tests and calculations. In particular, deformation and fracture mechanisms at the micro-, meso- and macrolevels are examined for metals and composites.     

Yielding of magnesium: From single crystal to polycrystalline aggregates

Hexagonal close-packed (hcp) metals show a deformation behavior, which is quite different from that of materials with cubic crystalline structure. As a consequence, rolled or extruded products of magnesium and its alloys exhibit a strong anisotropy and an unlike yielding in tension and compression. In this work, the microstructural mechanisms of deformation in pure magnesium are modeled by visco-plastic constitutive equations of crystal plasticity. Single crystals and textured polycrystals are analyzed numerically. By means of virtual mechanical tests of representative volume elements mesoscopic yield surfaces are generated. The linking of micro- and mesoscale provides a procedure for the simulation of the yielding and hardening behavior of arbitrarily textured solids with hcp structure such as extruded bars or rolled plates.     

Micro-experimental study of large plastic deformation for high-purity polycrystalline aluminum

This paper aims at revealing various micro- deformation characteristics, such as crystalline slip and grain boundary slide, which are recorded under scanning electronic microscope for high-purity aluminum tensile specimen at room temperature. These experimental data provide us direct evidence for shear localization near the grain boundary network via multi- directional grain boundary slide. The nonuniform deformation induced in the grain interiors would have decisive effect on the plastic flow and failure of polycrystalline materials. Sponsored by the National Natural Science Foundation of China and the Fok Ying- Tung Education Foundation.     

基于剪切修正GTN模型的金属弹性退化机理研究

许多金属材料在进行显微或宏观压入测试时,测得的弹性模量会随着压入深度的增大而不断降低.考虑到在压痕测试过程中金属材料并不产生明显的裂纹,这种性能退化应是由材料的损伤引起.然而,经典损伤理论认为以受压和受剪为主的压入变形不会引起材料软化和损伤.本文结合剪切变形下材料损伤的萌生和演化机理,对经典的GTN(Gurson-Tvergaard-Needleman)模型进行了修正,对压入测试进行了有限元模拟.模拟结果显示,材料在压入过程中的损伤是由现有空洞的扭曲变形和次级空洞的萌生共同引起,如果只考虑现有空洞变形则会低估材料在压入变形过程中的损伤演变.     

镁合金塑性机制研究综述

纯镁具有丰富的微观塑性机制，尤其是孪晶，导致其塑性变形错综复杂，力学性能也与常见的面心及体心立方金属有显著差异。由于现今学界对位错滑移与孪晶变形等塑性机制缺乏充分认识，镁合金性能调控效果尚不理想，与铝合金相比，镁合金的力学性能还有很大的提升空间。基于此背景，本文首先回顾了镁合金的发展历史与应用现状。然后介绍了镁中位错滑移与孪晶变形等塑性机制的研究进展，重点阐述位错、孪晶、晶界、析出相、溶质原子等重要的微结构，并简要介绍了计算机模拟方法。最后展望了强韧性能方面值得重视的若干研究方向。     

梯度纳米结构金属力学性能、变形机理和多尺度计算研究进展

近年来，梯度纳米结构金属因其优越的力学性能和独特的塑性变形机理受到广泛关注，已成为材料与力学学科的热点和前沿。本文首先介绍梯度纳米结构金属的强度、塑性、加工硬化和抗疲劳等核心力学性能，以及晶粒长大、塑性应变梯度和几何必需位错等塑性变形机理及其力学研究。其次介绍梯度纳米结构金属的多尺度计算与模拟研究。最后讨论梯度纳米结构金属研究领域存在的挑战。     

Engineering mechanical-electrical cell microenvironment in myocardium using advanced biomaterials

心血管疾病是当前全球范围内导致人类死亡的首要原因, 心肌组织工程的发展为心血管疾病的治疗, 尤其是心肌组织再生修复提供了最有潜力的解决方案.心血管疾病的发生发展与细胞力--电微环境的变化密切相关. 近十几年, 随着先进生物材料和微纳生物制造技术的发展, 越来越多的研究表明, 细胞力--电微环境的调控对工程化心肌组织的成熟和功能化以及心肌组织再生修复具有重要意义. 本文首先阐明了在体心肌细胞所处力学微环境的生物学基础以及电信号的传导过程, 包括正常和疾病状态下心肌细胞所处的力--电微环境.其次调研了用于心肌组织工程的先进生物材料的研究现状.最后总结用于基底硬度与应力应变细胞微环境以及细胞电学微环境的构建和调控, 以及细胞对力--电微环境的生物学响应.%     

基于先进生物材料的心肌细胞力——电微环境体外构建

心血管疾病是当前全球范围内导致人类死亡的首要原因, 心肌组织工程的发展为心血管疾病的治疗, 尤其是心肌组织再生修复提供了最有潜力的解决方案.心血管疾病的发生发展与细胞力--电微环境的变化密切相关. 近十几年, 随着先进生物材料和微纳生物制造技术的发展, 越来越多的研究表明, 细胞力--电微环境的调控对工程化心肌组织的成熟和功能化以及心肌组织再生修复具有重要意义. 本文首先阐明了在体心肌细胞所处力学微环境的生物学基础以及电信号的传导过程, 包括正常和疾病状态下心肌细胞所处的力--电微环境.其次调研了用于心肌组织工程的先进生物材料的研究现状.最后总结用于基底硬度与应力应变细胞微环境以及细胞电学微环境的构建和调控, 以及细胞对力--电微环境的生物学响应.%      

用晶体弹塑性有限单元法研究双晶金属拉伸变形

本文从单晶体应力-应变关系的精确实验结果和多晶体滑移特性出发,建立相应的计算模型,并采用微观力学和晶体弹塑性有限单元法,研究双晶金属试样的拉伸变形,得到其应力-应变曲线,晶体内滑移变形和应力分布规律,以及晶界影响区对它们的影响。