上海交大《IJP》：在动态冲击晶体塑性理论与应用领域取得系列进展

2026-09-04 13:22:31 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

近日，刘桂森副教授受邀担任国际顶级塑性期刊International Journal of Plasticity (IJP)的编委(https://www.sciencedirect.com/journal/international-journal-of-plasticity/about/editorial-board)。IJP是国际上材料塑性行为、损伤与断裂方面的顶级学术期刊，编委将负责主审IJP期刊稿件若干，参与复审争议稿件、专题组稿、组织国际塑性大会分论坛等工作。刘桂森长期从事辐照、冲击等极端环境下材料变形与损伤机制及力学仿真方面的研究工作，取得了系列具有国际影响力的学术成果，以第一/通讯作者在PRL、IJP（14）、Acta Materialia（3）等期刊上发表论文30余篇。

沈耀教授和刘桂森副教授团队围绕多晶金属在宽应变率、超高压力和高应变梯度下的塑性变形问题，持续推进晶体塑性理论发展，形成了从宽应变率热弹-塑性本构框架到极端动态加载屈服机理研究相互衔接的系列成果，近期相关成果在国际塑性力学权威期刊 International Journal of Plasticity发表论文3篇(https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104758、https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2026.104776、https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2024.104054)，为极端加载条件下多晶金属的力学行为预测提供了自洽的理论框架和高效的计算仿真工具，对深入理解冲击塑性变形机理及抗冲击材料设计具有重要的科学意义与工程价值。面向极端动态加载的多晶体热弹-塑性理论及动态屈服机制，团队发表两项姊妹篇工作：“A Thermo-Elasto-Plastic Constitutive Model Based on Eulerian Strain Framework for Wide-Strain-Rate Response of Polycrystals: Part I Theory and Numerical Implementation”、“Part II: Application for Shock and Quasi-Isentropic Loading”，博士生杨舒晴为两项工作的第一作者，沈耀教授和刘桂森副教授为通讯作者，论文合作单位为中国工程物理研究院。针对连续介质晶体塑性模型在描述内应力时高应变梯度下丢失滑移离散性的问题，团队建立了具有明确位错物理基础的修正方法: “Slip-discreteness-corrected strain gradient crystal plasticity (SDC-SGCP) theory”，博士后陈然为论文第一作者，沈耀教授和刘桂森副教授为通讯作者。

研究背景

从极端动态加载到高应变梯度的多尺度挑战

冲击、爆炸和准等熵压缩等极端动载过程同时涉及超高压力和温升、宽应变率范围、大变形以及复杂位错机制。如何在统一框架内实现从位错尺度物理到多晶宏观响应、从准静态到冲击加载的贯通，是该领域长期面临的核心问题。

围绕这一挑战，团队近期从两个层面开展系统研究：其一，面向极端动态加载，发展基于欧拉应变的多晶体热弹-塑性本构理论，并系统揭示冲击与准等熵加载下的动态屈服机制；其二，从位错离散结构特性出发，修正高应变梯度下的晶体塑性内应力描述，提供应变梯度效应的物理基础。

理论进展一

建立基于欧拉应变的宽应变率多晶体热弹-塑性本构理论

图1 基于欧拉应变的宽应变率多晶体热弹-塑性本构理论（Part I）

团队从有限变形的基本数学框架出发，构建了基于欧拉应变的多晶体热弹-塑性本构理论。与传统的格林应变度量材料线元的拉伸不同，欧拉应变度量的是材料微元面的间距变化。这一数学转换使得新模型在处理极高压力时能够天然保持稳定，并精准捕捉到压缩和拉伸响应之间的物理不对称性。

团队发展了体积-偏量解耦方案，在欧拉应变框架下实现实验状态方程与热弹性本构关系的热力学自洽耦合，将模型的可计算压力范围拓展至200 GPa。该框架既能够描述超高压力下的体积响应，也保留了晶体取向和滑移系相关的偏塑性变形，为多晶材料在准静态、动态和冲击加载条件下的统一计算奠定了理论基础。

针对动态响应的微观本质，团队构建了基于物理机理的位错密度演化模型，统一考虑位错非均匀形核、均匀形核、增殖和湮灭等机制，位错运动速度的低应力段热激活控制机制以及高应力段的声子拖曳机制，并引入基于位错链段长度统计分布的可动位错密度描述，使模型具备从低应变率到冲击应变率宽广范围的适用性。

理论进展二

揭示冲击与准等熵加载下铝合金动态屈服机制

图2 基于欧拉应变的宽应变率多晶体热弹-塑性本构理论在冲击和准等熵加载中的应用（Part II）

在完整理论框架基础上，团队对LY12铝合金在冲击压缩和准等熵斜波加载下的动态屈服行为开展了系统的有限元模拟。揭示了动态加载过程中“一次屈服”和“二次屈服”的响应差异，并厘清实验中常用的自洽波剖面分析法主要对应二次屈服强度，而非一次屈服强度，为“应力计直接测量”与“自洽法”所得结果之间长期存在的系统差异提供了物理解释。

对于一次屈服，研究发现冲击条件下随压力升高出现的非线性软化主要由位错均匀形核主导。当冲击波阵面非常狭窄时，传统位错源无法在短时间内提供足够的可动位错，均匀形核被激活，导致应力快速松弛和屈服强度下降。机制分离计算进一步表明，均匀形核是产生该高压软化趋势的关键机制；在加载历程更缓和的准等熵条件下，均匀形核未被显著激活，屈服强度则随压力单调增加。

对于二次屈服，研究发现冲击加载下的屈服强度随压力呈现“上升-下降-再上升”的多转折变化，而准等熵加载下保持单调上升。团队提出“临界位错密度”概念解释这一现象：当位错密度低于随应变率和温度变化的临界阈值时，位错增殖主要增加可动位错并引起软化；当位错密度高于临界值时，林位错强化效应占主导。随着冲击压力提高，首次加载后的位错密度跨越临界阈值，进而导致二次屈服强度的再次上升。

理论进展三

建立滑移离散性修正的应变梯度晶体塑性理论

图3 SDC-SGCP理论

应变梯度晶体塑性通常通过GND密度引入Taylor强化，并通过附加内应力描述GND的长程作用。然而，研究团队通过位错理论与数值分析发现：在假设GND连续分布的前提下，有限元（FEM）和快速傅里叶变换（FFT）等常用数值方法已经能够较准确地获得相应内应力场。经典模型在高应变梯度下的不足，并非简单源于数值求解器不能计算连续GND的近程应力，而是源于从真实离散滑移面和离散位错结构向连续介质粗粒化时，滑移离散性被抹平。

基于这一认识，团队提出滑移离散性修正的应变梯度晶体塑性（SDC-SGCP）理论。该方法将修正内应力定义为离散位错构型与连续位错构型所产生内应力之间的差值，并利用局部GND分布和位错理论推导出可直接嵌入晶体塑性有限元或FFT框架的局部修正项。与依赖经验拟合的长度尺度不同，该理论将物理长度尺度与晶体中离散滑移面的平均间距联系起来，使修正项的来源更加清晰，也为连续晶体塑性理论与离散位错理论之间建立了直接联系。

研究进一步揭示了GND长程内应力产生额外强化的物理本质。修正内应力并非在所有位置都单纯阻碍滑移，而是对晶粒内滑移分布进行“削峰填谷”：在局部滑移峰值处抑制继续变形，在滑移低谷处促进塑性发展，从而逐步衰减晶粒内部的剧烈起伏，使变形更加均匀。该均匀化作用将晶界对位错运动的影响由晶界附近进一步延伸至晶粒内部，扩大了受阻区域，最终表现为多晶材料整体流动应力的提高。

以包含15个柱状晶粒的纯钽多晶拉伸实验为对象，对应力-应变响应、变形轮廓和晶粒内应变分布进行了系统验证。结果表明，传统晶体塑性模型虽然可以拟合宏观应力-应变曲线，但SDC-SGCP模型在捕捉晶粒内部应变带和局部滑移特征方面表现更优，能够再现实验中其他模型未能捕捉的关键应变带。该工作解释了经典晶体塑性理论在高应变梯度条件下的局限，并提供了一种简洁、稳健且物理来源透明的改进路径。

研究还揭示了GND内应力在动态加载中的双重作用：一次加载时，冲击波阵面附近的GND内应力可与外加载荷同向，促进滑移并造成软化；二次加载时，既有变形历史所保留的GND内应力场转变为持续背应力，阻碍后续塑性流动并导致硬化。这一结果将SDC-SGCP理论中GND长程内应力的物理描述拓展到复杂动态加载路径。

总结

理论意义与应用价值

上述理论的发展实现了从离散位错结构到连续晶体塑性、从晶粒内滑移分布到多晶宏观强度、从准静态高应变梯度到冲击高压加载的贯通。系列成果深化了对多晶金属中晶界、GND内应力、位错形核与演化以及加载路径依赖的认识，为解释尺寸效应、应变梯度强化、冲击屈服和高压软化等现象提供了新一代的理论模型。

该系列研究不仅提升了模型在复杂变形条件下的预测能力，也使模型参数和强化机制具有更清晰的物理含义。新框架可用于预测金属材料在航空航天、国防军工及高应变率成形等场景中的力学响应，并为抗冲击、高强韧金属材料的微结构设计和性能优化提供科学依据。相关工作得到挑战计划和国家自然科学基金等项目资助。

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