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2020年 41卷 6期
刊出日期：2020-12-28
综述
研究论文
 
       综述
485 金属材料力学性能的辐照氦效应研究进展
余龙 陈李嵘 隋昊男 刘文斌 刘莹 段慧玲
金属材料在辐照过程中会发生嬗变反应，从而在材料内部形成氦泡，进而影响金属材料的宏观力学行为。因此，开展氦影响下金属材料力学性能的研究对抗辐照材料的设计及工程应用具有重要意义。氦对材料力学行为的影响是一个典型的多尺度问题，故本文从从原子尺度到宏观尺度针对含氦金属材料力学行为的研究方面进行了总结，主要包括氦原子的产生、氦团簇/氦泡的形成、氦泡在材料中的微观行为以及氦对材料宏观力学性能的影响。在此基础上，展望了该领域中存在的主要科学问题。
2020 Vol. 41 (6): 485-497 [摘要] ( 300 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 155 )
498 金属材料辐照缺陷演化的分子动力学研究进展
范海冬 李自琨 李德飞 唐婧
辐照条件下，高能粒子在金属材料内部引入稠密的辐照缺陷，导致材料力学性能严重退化，缩短材料服役寿命，是辐照材料研究的关键问题。辐照缺陷多处在纳米尺度，故分子动力学方法是模拟辐照缺陷的有力工具，近年来被广泛用于研究辐照缺陷演化。本文总结了金属材料中辐照缺陷演化的分子动力学研究进展，介绍了级联碰撞、点缺陷、空洞、氦泡、Frank位错环、层错四面体等辐照缺陷，及其与位错、晶界等微结构的相互作用。分子动力学方法揭示的机制与模型，深化了学界对辐照效应的认识，有助于提高辐照材料力学性能和设计耐辐照材料。
2020 Vol. 41 (6): 498-512 [摘要] ( 344 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 172 )
513 位错动力学方法在辐照损伤力学中的应用
嵇长秋 崔一南 柳占立 庄茁
核能是人类最理想的清洁能源之一，在世界能源结构中发挥着巨大作用。核裂变或核聚变导致的辐照环境会引起材料的辐照损伤，进而显著影响材料的力学性能，造成辐照硬化、脆化、蠕变、肿胀等现象。无论是预测辐照材料的服役寿命，还是设计新型的抗辐照材料，都迫切需要建立强辐照环境下的塑性力学和损伤力学理论。分子动力学方法为理解辐照材料中的原子级相互作用机理提供了诸多有价值的信息，然而受限于时空尺度难以直接用于力学理论模型的建立。晶体塑性有限元方法可用于预测辐照材料的力学响应，但是往往需要基于已知的物理模型，并且拟合实验数据。位错动力学方法是联系纳米力学与连续介质力学的桥梁，是揭示大量微结构的累积相互作用机理，建立基于物理机制的塑性力学和损伤力学理论的强有力手段。位错动力学方法起源于上个世纪八十年代，起初主要用于研究位错间的短程和长程相互作用、计算位错运动引起的塑性变形、硬化、软化、变形局部化等。本文将展示三种耦合位错动力学和辐照损伤场的方法，并系统地综述研究者近年来使用该方法在理解辐照硬化、塑性变形局部化、晶界效应、温度效应、和发展多尺度耦合方法等方面取得的进展。
2020 Vol. 41 (6): 513-531 [摘要] ( 286 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 156 )
       研究论文
532 级联碰撞对层状珠光体力学行为的影响
朱笔达 黄敏生 李振环
铁素体合金钢是目前在核能工程界应用最为广泛的一种金属结构材料，以渗碳体和铁素体基体构成的层状珠光体是铁素体合金钢中常见的金相结构。深入理解辐照效应对层状珠光体力学性能的影响对高辐照条件下铁素体钢的材料设计与寿命评估有着重要的理论参考意义。基于以上考虑，本文采用分子动力学（MD）模拟，研究了连续低能铁原子级联碰撞对渗碳体/铁素体两相界面的破坏情况，探讨了经历不同程度级联碰撞的两相结构在单向拉伸以及压缩荷载下的初始屈服情况。通过对MD模拟结果的深入分析，得到了以下主要结论：a.辐照会破坏渗碳体/铁素体两相界面的失配位错结构，引起渗碳体的分解，并促进碳原子向铁素体的扩散；b.在单轴拉伸荷载作用下，级联碰撞会使初始屈服机制由{112}<111>位错滑移系的开动转变为间隙原子团簇附近位错环的形核与长大；c.在单轴压缩荷载作用下，级联碰撞会使初始塑性变形机制由{110}<111>滑移系的开动转变为{112}<111>滑移系的开动；d)无论在单轴拉伸还是压缩情况下，级联碰撞（及辐照效应）都会导致位错初始形核应力的提升。本文的研究结果为铁素体合金钢的辐照硬化和辐照脆化行为提供了新的微观解释，对于辐照条件下铁素体合金钢材料的优化设计有一定的参考意义。
2020 Vol. 41 (6): 532-544 [摘要] ( 206 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 151 )
545 FeCrAl合金材料织构对其宏观力学本构关系的影响研究
张靖宇 丁淑蓉
FeCrAl合金具有优良的高温抗氧化性和耐辐照性能，是事故容错核燃料包壳的重要候选材料. 其在加工过程和热处理过程中易形成α纤维织构（<110>//RD）和γ纤维织构（<111>//ND），会影响材料的宏观力学性能与深加工成形能力. 本研究针对具有不同织构的多晶FeCrAl合金，建立了代表性体元模型, 使用晶体塑性有限元方法，在ABAQUS/Explicit中模拟材料单轴加载下的宏观应力应变曲线，分析不同织构对FeCrAl合金宏观力学本构关系的影响. 计算结果表明，对于具有α织构、γ织构和晶粒无择优取向的材料，在轧向上的应力应变曲线差异较小. γ织构会引起材料强烈的各向异性，在轧面法向上的屈服强度远高于轧向和横向上的屈服强度，这是因为晶粒的<111>方向平行于加载方向，滑移系难以启动. 提高γ纤维织构的比例，将增大轧面法向上的屈服强度. 本研究可以为优化FeCrAl合金材料织构、加工条件和材料力学性能提供参考.
2020 Vol. 41 (6): 545-554 [摘要] ( 198 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 159 )
555 宽γ辐照剂量范围内硅泡沫本构模型研究
晏顺坪 余勇 王罗斌 邱勇 万强
基于实验和理论建模研究了白炭黑增强硅泡沫材料在γ辐照剂量范围为0~1000kGy作用后的单轴压缩力学行为。实验结果表明辐照导致硅泡沫出现明显硬化现象，初始杨氏模量和固定应变下应力幅值均随γ辐照剂量近似线性增加。辐照后硅泡沫泡孔结构完整，硅橡胶基体中高分子交联反应占主导，且交联密度随辐照剂量线性增大。基于实验分析结果，实现了Ogden Hyperfoam超弹本构模型参数与辐照剂量的关联。结果表明初始剪切模量参数与辐照剂量成线性关系，硬化指数和泊松比参数与辐照剂量无关。基于应力应变实验数据拟合得到模型参数，并与未参与拟合的实验数据对比，验证了模型的准确性，表明该模型能够表征宽辐照剂量范围内硅泡沫的压缩力学行为。
2020 Vol. 41 (6): 555-566 [摘要] ( 193 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 160 )
567 单晶铜中的类层错四面体稳定性
郁汶山 张磊 申胜平
层错四面体作为受核辐照作用金属材料中一类常见的三维缺陷，会极大的改变材料塑性变形行为。本文借助分子静力学和分子动力学方法，针对不同构型、不同尺寸的类层错四面体，考察了不同形状空位团簇演化为类层错四面体的位错反应机理和形成能变化趋势，研究了类层错四面体附近空位形成能分布特征和最小空位形成能随类层错四面体尺寸增大的变化规律，分析了含不同构型、不同尺寸的类层错四面体铜单晶体的微观变形机理和单晶体屈服应力随类层错四面体尺寸增大的变化规律。研究发现：类层错四面体通过Silcox-Hirsch机制形成，且经历了空位团簇坍塌、Frank位错环分解和Shockley位错交汇形成层错四面体棱边三个过程；类层错四面体附近最小空位形成能随着类层错四面体尺寸变化而变化，且变化趋势与类层错四面体构型在稳态、亚稳态和非稳态之间过渡相关，稳态无尖端类层错四面体的最小空位形成能变化趋势表现出明显的尺寸效应；剪切会导致含类层错四面体铜单晶体产生两类层错四面体位错开动模式，即：斜面Shockley偏位错滑移和层错四面体底面压杆位错分解，且含类层错四面体的单晶体屈服应力基本上随着类层错四面体尺寸增大而逐渐减小。
2020 Vol. 41 (6): 567-584 [摘要] ( 244 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 146 )
585 FCC辐照金属铜材料中氦泡平衡内压的分子模拟及其尺度效应
吕陈扬韬 黄鑫龙 林成辉 楚海建
氦泡内的氦密度及其内压对含氦泡辐照材料的力学性能具有重要影响，本文采用分子模拟方法系统地研究了面心立方金属铜材料内氦泡平衡内压及其尺度效应、温度效应和引起的应力场。基于能量最小原理与应力平衡准则，提出了确定平衡内压的方法，研究发现：1）采用能量最低原理与应力平衡准则所获得的平衡内压是自洽的；2）存在一个临界尺度，当氦泡孔径小于该临界尺度时，平衡内压出现反常尺度效应，即当氦泡孔径小于3nm时，平衡内压并不随孔径减小而明显增大，甚至出现减小的异常现象；3）传统采用基于球形孔洞的理论公式估算严重高估了氦泡平衡内压，引起的误差随氦泡孔径减小而显著增大，如孔径为3nm时，误差超过63%；4）由于纳米孔洞多面体特性和材料的各向异性，即使在平衡内压条件下，基体铜材料内仍存在一定的应力分布，该应力体现出显著的局域特征，即随着距孔洞中心距离的增加而快速下降。此外，本文还提出采用时间平均叠加区域平均来减小热涨落对应力场的影响，取得了较好的效果。
2020 Vol. 41 (6): 585-599 [摘要] ( 176 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 155 )
600 高熵合金辐照硬化与力学性能研究
陈阳 彭静 李甲 刘彬 方棋洪
　　　高熵合金由于多主元元素混合引起高熵结构效应，使其具有优异的物理、力学和化学特性，如高强度、高耐磨性、耐蚀性、热稳定性、优异的抗辐照性能等。然而，辐照诱发高熵合金材料的硬化行为和力学性能预测仍缺少相关研究，严重地限制了对其长期服役后材料性能的评估。基于晶体塑性理论结合实验结果，研究了空洞形状依赖的硬化行为、位错环诱发的硬化行为以及氧化物弥散增强的高熵合金力学性能。研究发现，考虑多面体空洞与位错的概率依赖的空间交互作用，能够更加准确地预测辐照金属的屈服应力；晶格畸变对屈服强度，有着重要的贡献；氧化物弥散相对位错运动起强烈钉扎的作用，从而对强度产生影响，直接决定抗辐照性能。高熵合金作为一种具有综合优异力学性能的新型结构材料，在先进核能系统中有望被广泛应用，比如核反应堆的核燃料包壳管。
2020 Vol. 41 (6): 600-613 [摘要] ( 177 ) HTML (1 KB)  PDF   (0 KB)  ( 149 )
  编辑部公告
22 Acta Mechanica Solida Sinica入选2021年国际影响力TOP期刊榜单
22 祝贺！AMSS和《固体力学学报》编委清华大学张一慧教授喜获第三届“科学探索奖”
22 祝贺！《固体力学学报》编委湖南大学姜潮教授喜获第三届“科学探索奖”
22 2020年度Acta Mechanica Solida Sinica 影响因子达到2.161
22 重要通知
22 固体力学学报2020年第2期和第3期刊出《固体材料的多尺度与多场耦合力学》专辑
22 Acta Mechanica Solida Sinica (AMSS) 入选“2019中国最具国际影响力学术期刊”
22 余寿文教授、黄玉盈教授获得AMSS特别贡献奖（Special Contribution Award）
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