背景简介

尽管已有大量研究将各类硬化机制或内应力机制纳入循环塑性的描述中，但现有的晶体塑性模型大多以现象学方式处理这些贡献，未能明确考虑棘轮行为的微观组织起源。与此不同，本研究建立了一个精简但物理完整的微观组织敏感晶体塑性（MS-CP）框架，其中棘轮行为源自三个核心机制：（i）位错胞壁与胞内区域的演化，这一过程主导了塑性流动的分配以及循环加载过程中位错亚结构的渐进细化；（ii）源于胞壁与胞内区域异质性的物理基的滑移系背应力，其幅值随位错组态自然演化，而非通过现象学运动学硬化规律预先设定；（iii）析出相与位错的交互作用，该机制引入了合金特异性循环变形抗力，并区分了A600合金与304L不锈钢的棘轮响应差异。参数化分析表明，每个机制在捕捉关键试验特征（包括非对称循环响应和温度相关的棘轮速率）的过程中均发挥着不可替代的作用，从而为面心立方合金棘轮行为的预测建立了清晰的微观组织基础。此外，在室温和高温下模拟的单轴单调加载与棘轮响应均通过试验应力-应变数据进行了验证，证明了该框架在捕捉复杂棘轮行为方面具备强微观组织保真度的能力。

成果介绍

（1）MS-CP理论框架：

本文假定，胞内区域和胞壁区域的速率控制机制均为位错越过短程障碍的过程，该过程遵循由应力驱动、热激活的流动法则，即Kocks-Argon-Ashby型本构关系：

其中，γαc,0和γαw,0分别为胞内区域与胞壁区域的参考剪切速率，kB为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，μ为剪切模量μ0K为0 K时的剪切模量，p和q为形貌特征参数，F0为克服短程位错障碍所需的激活能，s0为0 K时的热滑移阻力。

考虑胞内区域可动位错和胞壁区域中由不可动位错产生的滑移抗力贡献：

背应力按下式更新：

与析出相相关的强化：

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（2）图1a对比了棘轮加载过程中单轴真应力-真应变响应的试验结果与模拟结果。模拟不仅准确捕捉了棘轮速率（即每周次的应变增量）及各阶段间的演变过程，还成功复现了所有加载阶段整体的响应包络线。在第三阶段（应变范围0.01–0.02）中，试验观察到微小的应力突增现象（源于试验载荷扰动），值得注意的是，模拟结果同样再现了这一特征。图1b展示了模拟所得的胞内区域位错密度随加载时间的变化曲线。所报告的数值为所有滑移系上位错密度的总和，并经过所有晶粒的平均处理。在加载阶段转换时，位错密度出现急剧跃升，而在各阶段内部其演化幅度极小，这反映了每周次塑性应变较小且循环次数有限的特性（由狭窄的滞回环可印证）。尽管如此，棘轮加载下的位错密度仍比单调加载高出近一个数量级。

图 1 (a) A600合金在21°C下棘轮响应的试验与模拟结果对比；(b) 模拟所得的胞内区域总位错密度随加载时间的演化规律

（3）寿命预测模型：

图2 单相棘轮响应 (a) 0.1 k_f ; (b) k_f ; (c) 10 k_f ; (d) 棘轮期间的f_w演化 ; (e) 棘轮期间背应力的演化

图2(a-c)展示了在0.1 kf、kf和10 kf参数下的单相棘轮响应：棘轮应变与棘轮速率均随kf增大而显著降低。如图2d所示，最大kf值通过产生最高的运动硬化速率，进而使棘轮应变最小。对应的背应力演化如图2e所示，较高的kf始终导致更大的背应力。值得注意的是，在0.1 kf工况下，尽管fw在首个循环后即饱和，背应力仍持续演化，这表明背应力的稳定状态主要受纵横比主导，而非fw。

致谢

作者衷心感谢海军核实验室（由Fluor Marine Propulsion, LLC为美国海军反应堆计划运营）所提供的支持。本文第一作者：Kunqing Ding（Georgia Institute of Technology），本文通讯作者：Ting Zhu（Georgia Institute of Technology）。

本期小编 华飞龙（整理）

周子尧 （校对）

舒 阳 （审核）

董乃健（ 发布）