面心立方金属多晶材料循环变形行为模拟(2)
1.2 研究现状 许多工程构件是在复杂的加载条件下服役的，要对这些结构件的可靠性和安全性进行合理的评价及寿命预测，就必须借助于材料在复杂加载条件下变形行为较为精确的本构关系描述。对于金属棘轮行为国内外许多学者已经开展了大量的实验研究和本构描述,获得了大量的研究成果。
1.2.1 宏观实验研究 宏观实验研究方面，国内外的许多学者在近 30 年来展开了大量的研究。Kang[4-8], McDowell[9], Hassan[10-11], Yang[12],田涛[13]，康国政[14]对许多面心立方和体心立方晶体结构材料室温下的单轴和多轴棘轮行为进行了系统的实验研究，通过研究获得了纯金属或合金的棘轮变形的基本规律和特征。金属材料宏观实验的研究表明： （1）材料的循环特性对金属材料的棘轮行为影响显著，材料的循环硬化特性对循环过程中棘轮变形的发展具有抑制作用，而循环软化特性会促进棘轮变形的发展。 （2）材料的棘轮行为对所施加的应力水平有明显的依赖性，棘轮应变及其应变率的变化与平均应力和应力幅值的变化成正比，与应力比的变化成反比；Kang[15]和张娟[16]对 304不锈钢棘轮变形行为的研究表明，加载历史也是影响棘轮变形的条件之一（3）除了依赖于所施加的应力水平，加载路径对金属材料的多轴棘轮行为也有显著的影响，非比例多轴加载路径下明显的非比例附加硬化会对棘轮变形产生更大的抑制。（4）Kang[17-18]和刘宇杰[19]通过对退火和调质 42CrMo 钢的全寿命棘轮行为的研究将金属材料的棘轮行为划分为三个阶段：第一阶段，棘轮应变率随循环周次的增加而下降；第二阶段，棘轮应变率保持常值，棘轮应变稳定增长；第三阶段为棘轮加速破坏阶段，材料或结构的疲劳寿命会因棘轮变形的产生明显减少。此外，张娟[20]、Ohno[21]、和Kang[22]等还在高温环境下对多种金属材料的棘轮行为进行了实验研究，研究表明材料在不同温度下棘轮行为有显著的差异。 随着新材料的不断开发，对材料棘轮行为的研究涉及的材料范围更加广泛。NiTi 广泛应用于航空航天、微机电系统和生物医学工程，是一种超弹性和形状记忆合金，Kang[23]和阚前华[24-25]对其展开了系统的循环实验研究，根据其循环变形特性和独特的变形机制提出了相变棘轮的定义
。Kang[26]对双相钛合金 Ti-Al-4V 的单轴棘轮行为进行了研究，实验表明，材料的单轴棘轮行为同样依赖于所施加的应力水平，棘轮应变和棘轮应变率随平均应力和应力幅值的增加而增大。Xiong[27]对 ZK60镁合金在挤压状态下室温中开展了系统的应力和应变控制循环，非对称应力控制循环实验研究表明：由于密排优尔方 ZK60 镁合金强织构效应，当所施加的应力低于孪生变形的临界应力时，材料的棘轮变形主要由位错滑移引起；而超过孪生变形的临界应力时，滑移和孪生同时起作用。在对传统金属和新型材料棘轮行为研究的同时，一些学者对高分子聚合物的棘轮行为进行了研究。Kang[28]对聚酯树脂基和玻璃纤文增强的聚酯树脂复合材料单轴的时相关棘轮行为进行了研究，得出相关结果：高分子材料的时相关特性非常明显，材料的棘轮行为明显依赖于应力水平、加载速率和峰值应力保持时间。类似于金属材料，加载历史同样对高分子材料的棘轮行为有明显的影响。 综上所述，目前对金属材料单轴和多轴棘轮效应的实验研究结果为建立循环本构模型对棘轮行为进行模拟和预测奠定了基础，但研究仍有不足，特别是没有深入和系统的研究非比例多轴棘轮行为，并且不同晶体结构棘轮行为差异的研究很少，一些影响棘轮行为的显著因素（如低碳钢的屈服平台和层错能等）还没有得到研究者的重视。因此，对于不同晶体结构或层错能材料需要继续开展高周次棘轮行为的研究，为研究不同晶体结构棘轮变形的微观机理和和建立基于微观机理的循环本构模型奠定基础。
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