Abstract The in-service deformation damage cannot be avoided, even for micro-scale metallic materials. To characterize the coupling effect of size and damage in micro-metallic materials, a modified incremental constitutive model is proposed on the basis of the conventional theory of mechanism-based strain gradient plasticity (CMSG), in which the assumptions of both small strain and isotropic damage are adopted. Other than retaining the essential features of the CMSG theory, the in-service deformation damage effects on the elastic moduli, plastic yielding criterion and intrinsic length scale, are well included. Typical micro-scale experimental results, including those from the torsion of thin wires, bending of ultra-thin beams, and tension and compression of micro-particle-reinforced metal matrix composites (MPMMCs), are theoretically analyzed using the new modified theory. Good agreements between the theoretical predictions and the experimental measurements are achieved, especially for the mechanical behaviors of MPMMCs subjected to relatively large deformation. Furthermore, it is interesting to find, upon increasing the uniaxial tension, the dominant damage mode in MPMMCs will transit from interface debonding to matrix damage, while matrix damage is always dominated in MPMMCs under uniaxial compression. In this study, we provide a convenient and precise way to characterize the in-service mechanical behaviors of micro-scale material systems, especially the commonly used composites with a characteristic length scale of micrometers.

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考虑尺寸和损伤效应的基于机制的应变梯度塑性改进传统理论

摘要 即使是微尺度金属材料，在役变形损伤也是不可避免的。为表征微金属材料尺寸与损伤的耦合效应，在基于机制的应变梯度塑性（CMSG）传统理论的基础上，提出了一种修正的增量本构模型，其中假设小应变和各向同性损害被采纳。除了保留 CMSG 理论的基本特征外，还很好地包括了在役变形损伤对弹性模量、塑性屈服准则和固有长度尺度的影响。典型的微尺度实验结果，包括细线的扭转、超细梁的弯曲以及微粒增强金属基复合材料（MPMMCs）的拉伸和压缩，使用新的修正理论进行理论分析。理论预测和实验测量之间取得了良好的一致性，特别是对于经受较大变形的 MPMMC 的机械行为。此外，有趣的是，随着单轴张力的增加，MPMCs 中的主要损伤模式将从界面脱粘转变为基体损伤，而单轴压缩下 MPMMCs 中的基体损伤总是占主导地位。在这项研究中，我们提供了一种方便而精确的方法来表征微尺度材料系统的在役机械行为，尤其是具有微米特征长度尺度的常用复合材料。特别是对于经受较大变形的 MPMMC 的机械行为。此外，有趣的是，随着单轴张力的增加，MPMCs 中的主要损伤模式将从界面脱粘转变为基体损伤，而单轴压缩下 MPMMCs 中的基体损伤总是占主导地位。在这项研究中，我们提供了一种方便且精确的方法来表征微尺度材料系统的在役机械行为，尤其是具有微米特征长度尺度的常用复合材料。特别是对于经受较大变形的 MPMMC 的机械行为。此外，有趣的是，随着单轴张力的增加，MPMCs 中的主要损伤模式将从界面脱粘转变为基体损伤，而单轴压缩下 MPMMCs 中的基体损伤总是占主导地位。在这项研究中，我们提供了一种方便且精确的方法来表征微尺度材料系统的在役机械行为，尤其是具有微米特征长度尺度的常用复合材料。而基体损伤总是在单轴压缩下的 MPMMC 中占主导地位。在这项研究中，我们提供了一种方便且精确的方法来表征微尺度材料系统的在役机械行为，尤其是具有微米特征长度尺度的常用复合材料。而基体损伤总是在单轴压缩下的 MPMMC 中占主导地位。在这项研究中，我们提供了一种方便且精确的方法来表征微尺度材料系统的在役机械行为，尤其是具有微米特征长度尺度的常用复合材料。