材料納觀尺度裂紋擴(kuò)展臨界條件的晶體相場(chǎng)法研究.pdf

1、隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，很多以前從未有過(guò)的結(jié)構(gòu)功能納米材料出現(xiàn)在了人們的實(shí)踐生產(chǎn)生活中。由于制造設(shè)備和材料表征技術(shù)的限制，使得在研究過(guò)程中很難直接觀察到材料納觀尺度的裂紋擴(kuò)展動(dòng)態(tài)行為。晶體相場(chǎng)方法(PFC)是最近10多年發(fā)展起來(lái)的一種高效的數(shù)值計(jì)算方法，這種方法可以從原子擴(kuò)散的時(shí)間尺度和空間尺度對(duì)材料組織結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行理論研究。運(yùn)用晶體相場(chǎng)方法研究材料納觀結(jié)構(gòu)的前沿問(wèn)題集中在:將外應(yīng)力作用因素加入到晶體相場(chǎng)模型中，建立有應(yīng)變和位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)

2、理論的PFC模型，將其運(yùn)用于斷裂、蠕變等材料結(jié)構(gòu)失效行為的機(jī)理研究中。目前，材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展研究已經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，而材料在受到外部動(dòng)、靜載荷應(yīng)變作用下納觀尺度的疲勞裂紋擴(kuò)展行為以及納觀裂紋擴(kuò)展的臨界條件、裂紋分叉與系統(tǒng)自由能的內(nèi)在聯(lián)系還鮮有研究。鑒于此，本課題將采用晶體相場(chǎng)模型研究材料內(nèi)部納觀尺度裂紋在單、雙軸靜載荷和動(dòng)載荷作用下的裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)變和臨界溫度以及裂紋的熱疲勞效應(yīng)，并分析裂紋擴(kuò)展過(guò)程中體系自由能、表面能、裂口相關(guān)參數(shù)之間

3、的聯(lián)系，探究裂紋尖端塑性區(qū)孔洞連通效應(yīng)和裂紋解離擴(kuò)展的內(nèi)在機(jī)理。本研究的主要成果如下:
　　1.結(jié)構(gòu)材料在受到外部應(yīng)力作用而發(fā)生裂紋擴(kuò)展時(shí)，其裂紋擴(kuò)展方向與外部載荷的加載方向垂直，外載應(yīng)力小的試樣裂紋擴(kuò)展速率明顯滯后于外載應(yīng)變大的試樣。
　　2.外加應(yīng)變?cè)诰w內(nèi)部產(chǎn)生的分切應(yīng)力達(dá)到裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力值是發(fā)生裂紋擴(kuò)展的前提條件，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下單軸靜拉伸的裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)變大于雙軸靜拉伸作用下裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)變，即材料在復(fù)雜應(yīng)

4、力作用下更容易發(fā)生斷裂失效。
　　3.裂紋擴(kuò)展對(duì)體系溫度變化非常敏感，體系溫度越低，裂紋擴(kuò)展晶格阻力越大;體系溫度越高，熱振動(dòng)原子數(shù)目越多，裂紋擴(kuò)展越容易。裂紋擴(kuò)展時(shí)體系溫度需要高于裂紋擴(kuò)展臨界溫度，即裂紋擴(kuò)展需要滿(mǎn)足一定的系統(tǒng)過(guò)熱度。
　　4.施加動(dòng)載荷作用后，體系自由能逐漸上升，裂紋尖端塑性區(qū)呈現(xiàn)孔洞連通效應(yīng)和裂紋解離擴(kuò)展現(xiàn)象。當(dāng)中心裂口處未發(fā)生裂紋萌生和擴(kuò)展時(shí)，外加應(yīng)變的作用使得材料內(nèi)部中心裂口處比非裂口缺陷處應(yīng)變能集