位错滑移模型及其实现方法

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1、万方数据第33卷增刊12013年5月振动、测试与诊断JournalofVibration，Measurement＆DiagnosisV01．33No．SlMay2013位错滑移模型及其实现方法’邹曦，高永毅，李学军，陈立峰(湖南科技大学机械设备健康维护湖南省重点实验室湘潭，411201)摘要对大量位错滑移模型及其实现过程进行分析的基础上，结合各种位错滑移模型的特点，描述了各模型力学参量的微观机理，总结了一些具有代表性的位错滑移模型及其实现过程，为后续的位错滑移理论模型的研究提供参考。关键词位错滑移模型；位错微观机制；微观机理；实现过程中图分类号TGlll引言位错在运动过程中

2、所形成的相关结构的动力学特征是决定材料宏观力学性能的的内在因素，最典型的微观结构特征是位错的分布具有空间周期性，即位错墙，位错胞等。位错滑移模型是弹塑性应力场求解的前提与基础。从19世纪末开始，位错滑移模型的建立已成为材料科学领域研究的热点问题之一，并建立了描述不同微观机制和力学参量的位错滑移模型。Ewing等[1]在研究金属的塑性变形时就观察到了位错现象，为位错滑移模型的建立奠定了一定的理论基础。当时对其机理的研究还是一片空白，对位错滑移现象的解释也是非常模糊的。20世纪初期，Love等比1在连续介质力学中首次引入位错的概念，提出了连续介质力学模型，位错的现象开始逐渐被解

3、释和研究。1934年，TaylorE3御首次提出刃型位错的概念，并与晶体塑性变形时的滑移过程联系起来，阐明了晶体塑性变形的机理。开始用位错理论来解释微观变形问题，但是在这个时期关于位错周围变形场的定量计算问题几乎完全建立在弹性力学的基础上。后来，Peierls[51建立了关于简单立方晶体中刃型位错的部分离散模型，该模型于1947年得到Nabarrro的发展，建立了著名的Peierls—Nabarrro位错模型[6]，这一工作的意义在于突破了弹性力学的范畴，初步处理了位错芯的应力应变关系。Fore—man等u1在Peierls—Nabarrro位错模型的基础上引．国家自然科学

4、基金资助项目(51175172)收稿日期：2012—11—15入一个可以控制位错宽度的可变因子a，提出一个可使得位错宽度可变的改进位错模型。1939年，Burg—ers引入了另一种类型的晶体位错——螺型位错，提出了Burgers矢量的概念，指出Burgers矢量的意义在于判断位错的类型，能够反映位错区域点阵畸变总累积的大小，表示晶体滑移的方向和大小，推导了著名的Burgers公式口]。这些模型为位错滑移模型研究和微观机理的解释奠定了基础。位错理论发展至今，大量的学者在上述位错模型的基础上，建立起了描述不同微观机制和力学参量的位错滑移模型，其目的都是希望运用位错滑移模型来解释

5、和描述微观机理以及它的动力学特性。位错滑移模型的实现方法是位错滑移模型建立不可或缺的一环；因此，怎样实现位错滑移模型的变形过程，运用什么样的方法得到模型的动力学特性，这些方法的运用能够带来哪些好处和有价值的成果，是现在研究需要解决的问题之一。笔者归纳总结了不同位错滑移模型及其实现过程，介绍了它们各自具有的优点，也得到了一些有价值的结果。1基于位错连续分布理论和协同学原理建立动力学模型为了描述金属的塑性变形，20世纪80年代初，Nix等嘲提出了位错组合模型，把高位错密度区和地位错密度区看成两种具有不同性质的材料，认为在各自区域内的位错是均匀分布的。这为位错动力万方数据增刊1邹

6、曦，等：位错滑移模型及其实现方法87学模型的发展奠定了基础，但是这两个模型并没有考虑位错胞尺寸的变化，不能解释位错胞的产生和发展。Gittus等[10]建立了位错胞尺寸模型，利用建立在平衡热力学基础上的自由能极小原理，初步解释了位错胞的产生和发展，但塑性变形过程是非平衡不可逆的过程；因此，高维林等利用建立在非平衡热力学基础上的耗散结构和协同学原理论建立了一个位错动力学模型[1¨。该模型解决了传统位错理论只能处理单个位错和简单排列的位错群的问题，分析和模拟了恒速变形和静态回复过程中位错组态演化过程及相应应力一应变曲线和静态回复曲线，着重阐明了位错胞的形成和发展，建立了一个发生

7、再结晶的临界判据。2模拟位错斑图形成的元胞自动机一分子动力学模型晶体材料在变形过程中，位错会呈现出错综复杂的斑图形式。为了从机理上解释这些斑图产生的原因以及变化，从20世纪80年代开始就提出了各种解析模型。1970年初，Holt提出不可逆动力学模型。1982年，Kulhman—Wilsdorf等Eza]提出低能量位错模型。1985年，Walgraef等提出反应扩散等模型。1996年，Hahner[131提出概率性位错动力学模型。这些模型为解释位错斑图现象的产生和变化过程作出了贡献，但是尽管这些解析模型能在一定假设的