1.3 本书的研究工作

传统结构强度准则以应力或应变为参量，认为结构大于容许承载力或容许变形就认为结构破坏。然而多数的结构材料都具有一定的塑性变形能力，在不同的约束条件下材料的应力承载力和断裂应变往往不是常量，结构材料内部常存在着很强的不均匀性，使其破坏模式更具复杂性。为了能够认识和合理的预测材料、结构的破坏，有必要对材料在各种加载条件下的塑性变形问题进行更深入的研究。

材料的塑性性质是和材料的微观结构密切相连的，经典的塑性理论建立在均匀连续介质假设和宏观唯象实验的基础上，没有考虑材料在晶粒尺度下的力学性质及其对材料宏观力学行为的影响，它们在合理描述塑性各向异性以及循环加载和复杂非比例加载方面存在很大的局限性。而建立在材料微观结构及物理变形机制基础上的晶体塑性本构理论考虑了金属材料的各向异性，能够体现金属微观力学性质的不均匀，能够描述循环加载或复杂非比例加载下金属材料的塑性行为。

为了从物理机制上揭示金属材料的塑性变形规律，发展合理的金属破坏规律分析方法，以此来保证结构安全性，特别是金属结构安全性。本书以晶体塑性理论为基础，以纯铜金属为研究对象（材料结构较为单纯，较为符合晶体塑性理论的描述），结合试验测试、数值模拟和理论分析，研究了单轴拉伸下单晶铜、多晶铜试样的滑移，对晶体黏塑性模型的单晶力学行为进行了合理性的分析，并研究了用单晶滑移本构关系来模拟多晶行为理论上的可行性。采用Voronoi多晶集合体开展了双向加载下多晶材料屈服面演化和塑性流动规律理论描述的研究，同时在经典晶体塑性模型基础上引入了考虑非线性硬化的背应力描述，在此基础上开展了多晶集合体在循环加载下材料的屈服特性和循环硬化的各向异性研究，分析了多晶材料在疲劳过程中材料内部细观变形和转动的不均匀性，对材料的疲劳破坏机理做了尝试性的探索。主要的研究工作按照以下各章展开：

第1章以结构工程破坏研究的可靠方法和结构疲劳寿命的合理预测出发，概述了宏观塑性理论和晶体塑性理论的发展和研究现状，介绍了本书的主要研究内容。

第2章介绍了晶体滑移的变形机制，对晶粒的晶体变形进行了分析，详细描述了晶体塑性本构关系，同时给出了计算方法框架和积分过程。

第3章结合单轴拉伸试验中试样的滑移带痕迹，采用建立在晶体塑性理论基础上的晶体塑性有限变形计算方法，对晶体滑移在试样表面留下的滑移带痕迹进行了数值分析，根据不同取向进行了三维拉伸变形模拟和滑移带的几何计算。

第4章对试样变形前的初始金相结构进行了观测，在试样加载之后取得了清晰的晶体滑移痕迹。对晶体滑移在多晶试样表面的滑移带进行了数值模拟，并对拉伸过程中材料内部的应力、应变的不均匀分布进行了初步统计分析。

第5章采用多晶集合体模型研究了多晶铜的塑性变形，通过双应力状态下的分段加载路径，研究了材料的初始屈服面以及在预剪切和预拉伸两种情况下的后继屈服面的形状、演化趋势，同时对初始屈服面和不同应力状态的后继屈服面做了塑性流动规律的初步分析。

第6章在经典晶体塑性模型的基础上引入了非线性运动硬化模型，在拉压对称应变循环试验的基础上，模拟多晶金属材料在循环加载下的复杂力学行为。以此开展考虑非线性硬化的晶体塑性模型在描述包兴格效应、循环滞回曲线及循环硬化等方面合理性研究。同时通过数值模拟得到了材料在循环过程中不同卸载点处的后继屈服面，讨论了其后继屈服面的演化规律。

第7章根据试验测得的多晶铜在不同应变幅下的低循环疲劳寿命曲线，采用多晶集合体模型对其低循环疲劳过程进行了模拟和分析。对疲劳加载过程中多晶体内部的微观应变和应力作了统计分析，分析了循环过程中纵向应变、应力随循环数增加变异系数的变化规律，同时记录了疲劳过程中晶轴参数的变化，给出了反映晶粒晶格位向变化的晶向改变量的统计分布，从而探寻与疲劳寿命相关的微观破坏机制。