非均質(zhì)材料斷裂位錯(cuò)機(jī)理多尺度研究.pdf

1、固體材料斷裂的宏細(xì)微觀理論在固體力學(xué)、固體物理和材料科學(xué)研究中均占有十分重要的地位，對(duì)于研究材料的強(qiáng)韌化機(jī)理、疲勞和斷裂破壞行為具有非常重要的理論意義和科學(xué)價(jià)值。宏觀和細(xì)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(cuò)，如鐵電材料和TRIP鋼的研究大多關(guān)注于疇變和相變?cè)鲰g機(jī)理，且忽略了位錯(cuò)塑性。然而，實(shí)際復(fù)合材料在生產(chǎn)和使用過(guò)程中產(chǎn)生的位錯(cuò)、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(cuò)發(fā)射更被看作材料韌-脆轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。本文將位錯(cuò)理論引入金屬、薄膜、智能陶瓷等非均質(zhì)材料中，針對(duì)材料的強(qiáng)韌化機(jī)理及斷裂本質(zhì)進(jìn)行多尺度系列理論研究。運(yùn)用彈性復(fù)勢(shì)技術(shù)發(fā)展了幾類(lèi)求解復(fù)雜多連通域及復(fù)雜形貌裂紋模型的新方法，獲得了系列問(wèn)題的封閉形式解答，在宏觀尺度上對(duì)斷裂機(jī)理進(jìn)行了理論分析；將連續(xù)體力學(xué)應(yīng)用到微觀尺度，運(yùn)用失配位錯(cuò)形核原理研究了納米夾雜/薄膜的強(qiáng)韌化位錯(cuò)機(jī)理，運(yùn)用位錯(cuò)相容原理研究了非均質(zhì)材料的粘彈塑性斷裂機(jī)理；綜合考慮宏觀荷

3、載、細(xì)觀疇變和相變及微觀位錯(cuò)，在多尺度上運(yùn)用鐵電疇變和馬氏體相變?cè)硌芯苛送夂奢d下，鐵電陶瓷疇變導(dǎo)致的位錯(cuò)發(fā)射與斷裂的競(jìng)爭(zhēng)及干涉機(jī)理和與TRIP鋼中馬氏體相變?cè)鲰g的位錯(cuò)機(jī)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(yīng)。包括含應(yīng)變加強(qiáng)層唇形裂紋反平面斷裂機(jī)理；熱偶極子與圓形夾雜界面裂紋干涉效應(yīng)。導(dǎo)出了應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、溫度場(chǎng)及應(yīng)力強(qiáng)度因子的解析表達(dá)式，討論荷載、界面缺陷幾何形狀、材料匹配和夾雜形狀對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響規(guī)

4、律。研究發(fā)現(xiàn)，裂紋短長(zhǎng)半軸之比增大可以削弱裂紋尖端的應(yīng)力集中；界面周?chē)辰Y(jié)的剛度更高或更低的材料可以集中或削弱界面應(yīng)力；熱偶極子臂的增長(zhǎng)可以增強(qiáng)裂紋尖端的熱應(yīng)力集中。
　　 位錯(cuò)(向錯(cuò))與宏觀典型缺陷的干涉效應(yīng)。包括運(yùn)動(dòng)螺型位錯(cuò)與正交各向異性雙材料界面裂紋的干涉效應(yīng)；刃型位錯(cuò)與唇裂紋干涉效應(yīng)；向錯(cuò)偶極子與圓形夾雜界面裂紋干涉效應(yīng)；螺位錯(cuò)與垂直界面裂紋的干涉效應(yīng)。導(dǎo)出了位錯(cuò)干涉應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)力強(qiáng)度因子和位錯(cuò)力的解析表達(dá)式，分析了位錯(cuò)運(yùn)

5、動(dòng)速度、裂紋幾何形狀和材料匹配對(duì)位錯(cuò)屏蔽效應(yīng)及位錯(cuò)力的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，位錯(cuò)遠(yuǎn)離裂紋尖端會(huì)降低其對(duì)裂尖的屏蔽效應(yīng)，同時(shí)其最小應(yīng)變能密度因子也會(huì)降低；裂紋短長(zhǎng)半軸之比增大可以削弱裂紋尖端的應(yīng)力集中；向錯(cuò)偶極子臂增長(zhǎng)可以增強(qiáng)裂紋尖端的屏蔽和反屏蔽效應(yīng)。
　　 納米尺度夾雜/薄膜與基體界面附近失配位錯(cuò)的形核機(jī)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(cuò)形核；納米薄膜與孔洞界面附近失配刃型位錯(cuò)形核。導(dǎo)出了失配位錯(cuò)形核的平衡位置

6、及位錯(cuò)形核時(shí)夾雜、薄膜臨界尺寸。研究發(fā)現(xiàn)，失配位錯(cuò)并不一定形核于界面上，當(dāng)夾雜或薄膜小于臨界尺寸時(shí)基體或薄膜中無(wú)位錯(cuò)形核，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度得到大幅提升。
　　 粘彈塑性斷裂位錯(cuò)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(cuò)相容原理；鈍裂紋粘彈塑性斷裂刃型位錯(cuò)相容原理。導(dǎo)出了裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋張開(kāi)位移、位錯(cuò)數(shù)量、塑性區(qū)尺寸等物理量的解析表達(dá)式。分析了界面或材料的粘性對(duì)斷裂特性及位錯(cuò)數(shù)量的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，裂紋尖端螺型位錯(cuò)

7、屏蔽效應(yīng)隨界面松弛而逐漸減弱；裂紋尖端刃型位錯(cuò)屏蔽效應(yīng)隨時(shí)間推移而逐漸減?。蝗行臀诲e(cuò)數(shù)量隨位錯(cuò)區(qū)的增加先增大后減小，隨裂紋短半軸與長(zhǎng)半軸之比增大而減小，且隨時(shí)間的推移而增大并趨于常數(shù)。
　　 鐵電材料裂紋尖端位錯(cuò)發(fā)射與裂紋擴(kuò)展的競(jìng)爭(zhēng)與干涉機(jī)理。導(dǎo)出了鐵電疇變邊界方程、疇變應(yīng)力強(qiáng)度因子、位錯(cuò)形核臨界應(yīng)用電場(chǎng)、位錯(cuò)發(fā)射數(shù)量、裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)用電場(chǎng)等物理量的解析表達(dá)式。分析了位錯(cuò)對(duì)裂紋尖端的屏蔽效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，鐵電材料中負(fù)電場(chǎng)作用下裂

8、紋尖端疇變可誘導(dǎo)位錯(cuò)形核并發(fā)射并驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展，位錯(cuò)發(fā)射與裂紋擴(kuò)展之間不但有競(jìng)爭(zhēng)也有干涉，發(fā)射出的位錯(cuò)對(duì)裂紋尖端有強(qiáng)烈屏蔽效應(yīng)，能夠增強(qiáng)材料斷裂韌度。
　　 高強(qiáng)度鋼中裂紋尖端附近馬氏體相變?cè)鲰g的位錯(cuò)機(jī)理。導(dǎo)出了馬氏體相變邊界方程、相變應(yīng)力強(qiáng)度因子、馬氏體相變吸收能量、位錯(cuò)形核臨界應(yīng)用應(yīng)力強(qiáng)度因子、位錯(cuò)發(fā)射數(shù)量、裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)用應(yīng)力強(qiáng)度因子等物理量的解析表達(dá)式。分析了馬氏體相交中切變對(duì)裂紋的增韌效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼中馬氏體相變中切