非均質(zhì)材料斷裂位錯機理多尺度研究.pdf

1、固體材料斷裂的宏細微觀理論在固體力學、固體物理和材料科學研究中均占有十分重要的地位，對于研究材料的強韌化機理、疲勞和斷裂破壞行為具有非常重要的理論意義和科學價值。宏觀和細微觀相結(jié)合是研究材料破壞的重要途徑。
　　 以往塑性斷裂研究中忽略了裂紋尖端鈍化所發(fā)射的位錯，如鐵電材料和TRIP鋼的研究大多關(guān)注于疇變和相變增韌機理，且忽略了位錯塑性。然而，實際復合材料在生產(chǎn)和使用過程中產(chǎn)生的位錯、微裂紋和夾雜等缺陷卻是決定材料性能的關(guān)鍵，尤

2、其是位錯發(fā)射更被看作材料韌-脆轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。本文將位錯理論引入金屬、薄膜、智能陶瓷等非均質(zhì)材料中，針對材料的強韌化機理及斷裂本質(zhì)進行多尺度系列理論研究。運用彈性復勢技術(shù)發(fā)展了幾類求解復雜多連通域及復雜形貌裂紋模型的新方法，獲得了系列問題的封閉形式解答，在宏觀尺度上對斷裂機理進行了理論分析；將連續(xù)體力學應用到微觀尺度，運用失配位錯形核原理研究了納米夾雜/薄膜的強韌化位錯機理，運用位錯相容原理研究了非均質(zhì)材料的粘彈塑性斷裂機理；綜合考慮宏觀荷

3、載、細觀疇變和相變及微觀位錯，在多尺度上運用鐵電疇變和馬氏體相變原理研究了外荷載下，鐵電陶瓷疇變導致的位錯發(fā)射與斷裂的競爭及干涉機理和與TRIP鋼中馬氏體相變增韌的位錯機理。主要研究成果如下：
　　 非均質(zhì)材料典型宏觀裂紋力熱效應。包括含應變加強層唇形裂紋反平面斷裂機理；熱偶極子與圓形夾雜界面裂紋干涉效應。導出了應力場、位移場、溫度場及應力強度因子的解析表達式，討論荷載、界面缺陷幾何形狀、材料匹配和夾雜形狀對應力強度因子的影響規(guī)

4、律。研究發(fā)現(xiàn)，裂紋短長半軸之比增大可以削弱裂紋尖端的應力集中；界面周圍粘結(jié)的剛度更高或更低的材料可以集中或削弱界面應力；熱偶極子臂的增長可以增強裂紋尖端的熱應力集中。
　　 位錯(向錯)與宏觀典型缺陷的干涉效應。包括運動螺型位錯與正交各向異性雙材料界面裂紋的干涉效應；刃型位錯與唇裂紋干涉效應；向錯偶極子與圓形夾雜界面裂紋干涉效應；螺位錯與垂直界面裂紋的干涉效應。導出了位錯干涉應力場、應力強度因子和位錯力的解析表達式，分析了位錯運

5、動速度、裂紋幾何形狀和材料匹配對位錯屏蔽效應及位錯力的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，位錯遠離裂紋尖端會降低其對裂尖的屏蔽效應，同時其最小應變能密度因子也會降低；裂紋短長半軸之比增大可以削弱裂紋尖端的應力集中；向錯偶極子臂增長可以增強裂紋尖端的屏蔽和反屏蔽效應。
　　 納米尺度夾雜/薄膜與基體界面附近失配位錯的形核機理。包括圓形納米夾雜與粘彈性基體界面附近失配螺型位錯形核；納米薄膜與孔洞界面附近失配刃型位錯形核。導出了失配位錯形核的平衡位置

6、及位錯形核時夾雜、薄膜臨界尺寸。研究發(fā)現(xiàn)，失配位錯并不一定形核于界面上，當夾雜或薄膜小于臨界尺寸時基體或薄膜中無位錯形核，結(jié)構(gòu)的強度得到大幅提升。
　　 粘彈塑性斷裂位錯相容原理。包括雙材料邊緣界面鈍裂紋粘彈性斷裂螺型位錯相容原理；鈍裂紋粘彈塑性斷裂刃型位錯相容原理。導出了裂紋尖端應力強度因子、裂紋張開位移、位錯數(shù)量、塑性區(qū)尺寸等物理量的解析表達式。分析了界面或材料的粘性對斷裂特性及位錯數(shù)量的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，裂紋尖端螺型位錯

7、屏蔽效應隨界面松弛而逐漸減弱；裂紋尖端刃型位錯屏蔽效應隨時間推移而逐漸減??；刃型位錯數(shù)量隨位錯區(qū)的增加先增大后減小，隨裂紋短半軸與長半軸之比增大而減小，且隨時間的推移而增大并趨于常數(shù)。
　　 鐵電材料裂紋尖端位錯發(fā)射與裂紋擴展的競爭與干涉機理。導出了鐵電疇變邊界方程、疇變應力強度因子、位錯形核臨界應用電場、位錯發(fā)射數(shù)量、裂紋擴展的臨界應用電場等物理量的解析表達式。分析了位錯對裂紋尖端的屏蔽效應。研究發(fā)現(xiàn)，鐵電材料中負電場作用下裂

8、紋尖端疇變可誘導位錯形核并發(fā)射并驅(qū)動裂紋擴展，位錯發(fā)射與裂紋擴展之間不但有競爭也有干涉，發(fā)射出的位錯對裂紋尖端有強烈屏蔽效應，能夠增強材料斷裂韌度。
　　 高強度鋼中裂紋尖端附近馬氏體相變增韌的位錯機理。導出了馬氏體相變邊界方程、相變應力強度因子、馬氏體相變吸收能量、位錯形核臨界應用應力強度因子、位錯發(fā)射數(shù)量、裂紋擴展的臨界應用應力強度因子等物理量的解析表達式。分析了馬氏體相交中切變對裂紋的增韌效應，發(fā)現(xiàn)高強度鋼中馬氏體相變中切