材料納觀尺度裂紋擴展臨界條件的晶體相場法研究.pdf

1、隨著科學技術的日新月異，很多以前從未有過的結構功能納米材料出現在了人們的實踐生產生活中。由于制造設備和材料表征技術的限制，使得在研究過程中很難直接觀察到材料納觀尺度的裂紋擴展動態(tài)行為。晶體相場方法(PFC)是最近10多年發(fā)展起來的一種高效的數值計算方法，這種方法可以從原子擴散的時間尺度和空間尺度對材料組織結構的變化進行理論研究。運用晶體相場方法研究材料納觀結構的前沿問題集中在:將外應力作用因素加入到晶體相場模型中，建立有應變和位錯動力學

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

3、的聯(lián)系，探究裂紋尖端塑性區(qū)孔洞連通效應和裂紋解離擴展的內在機理。本研究的主要成果如下:
　　1.結構材料在受到外部應力作用而發(fā)生裂紋擴展時，其裂紋擴展方向與外部載荷的加載方向垂直，外載應力小的試樣裂紋擴展速率明顯滯后于外載應變大的試樣。
　　2.外加應變在晶體內部產生的分切應力達到裂紋擴展的臨界應力值是發(fā)生裂紋擴展的前提條件，在同樣的實驗條件下單軸靜拉伸的裂紋擴展臨界應變大于雙軸靜拉伸作用下裂紋擴展的臨界應變，即材料在復雜應

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