薄膜中纳米裂纹在无位错区中的形核,钝化…

通过对韧性金属材料和脆性金属材料在透射电子显微镜下的原位拉伸，研究了纳米微纹在无位错区中的形核、钝化或扩展过程，结果表明，对于金属材料，无论是韧性的还是脆性的，加载时裂尖都能发射很多位错，平衡时能形成ＤＦＺ，ＤＦＺ是一个畸变很高的弹性区。     

拉伸与疲劳载荷下α-Ti 中裂纹扩展机制的原子模拟

采用分子动力学方法模拟研究含3种不同裂纹取向的α-Ti在拉伸载荷和疲劳载荷作用下裂纹扩展的微观机制.研究表明:B(0001)[1-210]裂纹构型通过产生变形孪晶的方式来实现垂直于基面方向的变形,单向拉伸过程中裂尖处有无位错区出现;A(1-210)[10-10]和C(1-210)[0001]裂纹构型的失效过程表明基面位错比柱面位错更容易发射;C裂纹构型循环加载时基面滑移系优先开动,使位错快速发射而释放了裂尖应力,导致裂纹出现止裂现象;含微裂纹α-Ti材料的失效过程是位错形核与发射、缺陷扩展、孪晶变形等共同作用的结果.     

位错与纳米裂纹干涉的反平面问题

针对位错与纳米裂纹干涉的反平面问题,提出了一种新方法,得出了精确解.首先利用复变函数中的保角变换方法,将直线裂纹问题化为孔板问题,再借助于柯西积分,获得了该问题的精确解答,然后分别推导出有、无表面效应作用时的应力场和位错力的解析表达式.数值结果表明:当裂纹尺寸缩减到纳米量级时,表面效应的影响使裂纹尖端附近的应力场和位错力减小,但随着裂纹长度的增大,表面效应的影响能力逐渐减弱,含表面效应的解答逐渐趋近于无表面效应的经典弹性理论解答.     

晶体相场方法在纳米裂纹扩展与韧脆断裂领域的研究进展

进入21世纪,计算机数值模拟技术在科学研究中的作用越来越突出,它与实验观测、理论模型分析并称为20世纪以来的三大科学研究方法。本文首先简要介绍裂纹研究的现状和宏观断裂力学存在的尺度局限性,并对近年来发展的原子级空间分辨尺度的晶体相场(PFC)模拟方法所具有的特征尺度范围和特色,以及PFC模型在模拟纳观尺度的材料微结构演化上所具有的优势进行说明。然后,介绍PFC模型在裂纹研究上的主要应用成果,包括以下5个方面：Zener裂纹的形核与扩展、纳米裂尖楔形位错空隙发射、晶列取向对纳米裂纹扩展的韧-脆断裂影响、纳米裂纹扩展模式的分类、纳米孔洞裂纹的愈合修复。最后,总结并指出PFC模型的发展方向及其今后在裂纹研究领域应用的新领域和重点方向。     

I型裂纹的连续位错模型

用连续位错分布模拟裂纹和裂尖塑性区，建立了中心对称有限长Ｉ型裂纹的无位错区模型。对一个主裂纹和四个对称移带情形推导出基本方程，计算表明，随着外加应力的增大，位错密度增大，位错活动明显加剧，在滑移带，位错密度在紧接ＤＦＺ的塑性区中某点达最大，孔洞在此形成。     

Ⅰ型裂纹的连续位错模型

用连续位错分布模拟裂纹和裂尖塑性区，建立了中心对称有限长Ⅰ型裂纹的无位错区（ＤＦＺ）模型．对一个主裂纹和四个对称滑移带情形推导出基本方程．计算表明，随着外加应力的增大，位错密度增大，位错活动明显加剧，在滑移带，位错密度在紧接ＤＦＺ的塑性区中某点达最大，孔洞在此形成     

氢致裂纹断裂几率、可靠性及寿命的计算

根据氢对金属中裂纹形核的影响，讨论了疲劳断裂的几个重要函数－疲劳断裂几率、 可靠性及寿命，重点根据位错 的堆积模型和详细的数学推导研究了氢致开裂纹的分布函数，导出了氢致裂纹的断裂概率。     

含初始空位缺陷铝纳米柱循环变形行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法,模拟了含不同比例初始空位缺陷的铝纳米柱在低振幅循环载荷作用下的变形过程。研究了含有初始空位缺陷的铝纳米柱在循环载荷下的变形特点及力学行为。研究发现在循环载荷作用下,当铝纳米柱中初始空位缺陷比例为3%时,稳定阶段应力值最大。当初始空位缺陷比例低于3%时,铝纳米柱中发生形核和湮灭的位错数量随着空位缺陷比例的升高而大幅度降低;初始空位缺陷的比例越高,稳定阶段应力值越高。当初始空位缺陷比例高于3%时,铝纳米柱中发生形核和湮灭的位错数量在不同空位缺陷比例下相差不大;初始空位缺陷比例越高,稳定阶段应力值越低。     

晶界萌生裂纹扩展的晶体相场模拟

【目的】研究双晶样品在单轴拉伸应变作用下所发生的纳米微观尺度裂纹扩展运动,观察裂纹扩展特征,揭示位错对裂纹扩展的作用规律。【方法】应用晶体相场(PFC)方法模拟裂纹扩展演化及其位错运动。【结果】在位错没有发射之时,裂纹沿位错对柏氏矢量方向解理扩展,发射位错后裂尖沿顺时针旋转60°继续扩展。【结论】晶界滑移出的位错由于周围应力集中,萌生出微裂纹。在裂纹扩展中,裂纹与位错相互作用,可以有多种形式。     

切口冷拨圆棒料的超低周疲劳断裂分析

借助于扫描电镜从细观和材料角度，研究了具有环状“Ｖ“型切口的冷拨圆棒料在超低周恒挠度下的断裂机理。同时指出，冷拨钢原材中存在轴向缺陷使得主裂纹在沿径向扩展的同时要发生轴向窜动，它是造成疲劳裂纹扩展区呈“馒头状”的原因之一，而冷拨钢特殊的组织形态决定了它的空洞形核必然受控于剪应力，这是造成疲劳裂纹扩展区呈“馒头状”的根本原因，另外，还发现冷拔铜在超低周疲劳条件下空洞形核主要有珠光体优先断裂形核、晶界形核、脆性颗粒断裂形核三种方式。     

循环塑性与疲劳裂纹扩展门槛值

基于材料的循环塑性预测了疲劳裂纹扩展的门槛值.所提出的模型强调材料的循环塑性对疲劳裂纹扩展的影响.结合无位错区理论和内聚区理论计算循环载荷下裂纹吸附区的J积分值,并以J积分作为断裂参数建立裂纹扩展的标准.由此计算的疲劳裂纹扩展速率符合通常的模式,预测的门槛值与实验拟合较好.当前模型的主要特点是近门槛疲劳主要由材料的循环变形行为确定,进而由标准循环加载的实验确定,这对于工程实际有重要意义.     

7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳断口

利用电子显微镜和扫描电镜对7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳断口进行研究,分析了 7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳裂纹的发展过程。结果表明,搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳裂纹萌生 于焊核区和热力影响区的交界处并逐渐向热力影响区内部扩展,最终延伸并断裂于热影响区。腐蚀疲劳断 口存在多个裂纹源,裂纹源萌生于腐蚀坑处。腐蚀疲劳裂纹扩展分为低速扩展、稳态扩展和快速亚稳态扩展 3个阶段。在低速扩展阶段,产生了很多点蚀坑。在稳态扩展阶段,腐蚀疲劳具有脆性断裂特征。在快速亚 稳态扩展阶段,循环荷载成为裂纹扩展的主要驱动力而腐蚀作用的影响减弱。腐蚀疲劳裂纹扩展的瞬断区 呈现以脆性断裂为主的断裂特征。     

弹塑性材料中裂纹的仿真研究

针对含裂纹的弹塑性材料结构,根据弹塑性断裂理论分析了裂纹增长的条件.建立了基于裂纹尖端存在塑性区的计算模型,得到了描述含裂纹弹塑性材料在外荷载作用下的塑性区尺寸及塑性区前端裂纹张开位移的解析解.按照所建立的计算模型对不同的裂纹长度、不同的外荷载对塑性区尺寸及张开位移的影响进行探讨.并给出了材料在外荷载作用下破坏的临界应力强度因子曲线.     

力学性能非对称焊接接头疲劳裂纹扩展规律

研究了硬对软（ＣＳ）、软对硬（ＣＨ）和软硬中（ＳＨＭ）三种典型的力学性能非对称焊接接头疲劳裂纹扩展规律．结果表明：力学性能非对称性对焊接接头的疲劳裂纹扩展规律有很大影响．起始裂纹在软区的硬对软力学性能非对称焊接接头，起始裂纹越靠近硬区，疲劳裂纹扩展速率越快；起始裂纹在硬区的软对硬力学性能非对称焊接接头，起始裂纹越靠近软区，疲劳裂纹扩展速率越慢；起始裂纹在硬区的软硬中力学性能非对称焊接接头，硬夹层宽度越窄，疲劳裂纹扩展速率越慢．     

基于扩展有限元法的Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展研究

基于扩展有限元法(XFEM)研究了Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹扩展问题. 对于裂纹面间的力学行为,用内聚力模型(CZM)进行了描述. 推导了引入内聚力模型后扩展有限元法的单元刚度矩阵,研究了加载方向对紧凑拉剪试件复合型裂纹扩展的影响. 研究结果表明:加载方向对裂纹起裂角影响较大,试件的最大承载力随着加载角度的增大近似线性增加;同时,在不同加载角度下数值模拟得到的裂纹起裂角和力-开口位移曲线与实验结果相吻合.      

多处损伤LY12 CZ铝合金加筋板疲劳裂纹扩展研究

进行了多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的疲劳裂纹扩展的分析与试验研究.给出了典型的随机载荷谱下铝合金加筋板多裂纹扩展的预计方法.用组合法和类比法计算多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的应力强度因子.考虑每个载荷循环裂纹之间的相互作用影响,以Walker裂纹扩展公式和Willenborg-Chang裂纹扩展公式为基础,用循环续循环进行裂纹累积,用虚拟施加剩余强度载荷和裂尖韧带塑性区连通判据确定临界裂纹尺寸.进行了恒幅谱载荷及程序块谱载荷下加筋板多裂纹的扩展试验研究.对比了铝合金多裂纹扩展的分析预计结果和试验结果,对比结果表明,预测的寿命与试验结果吻合较好.     

多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的疲劳裂纹扩展研究

进行了多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的疲劳裂纹扩展的分析与试验研究。给出了典型的随机载荷谱下铝合金加筋板多裂纹扩展的预计方法。用组合法和类比法计算多处损伤LY12CZ铝合金加筋板的应力强度因子。考虑每个载荷循环裂纹之间的相互作用影响,以Walker裂纹扩展公式和Willenborg-Chang裂纹扩展公式为基础,用循环续循环进行裂纹累积,用虚拟施加剩余强度载荷和裂尖韧带塑性区连通判据确定临界裂纹尺寸。进行了恒幅谱载荷及程序块谱载荷下加筋板多裂纹的扩展试验研究。对比了铝合金多裂纹扩展的分析预计结果和试验结果,对比结果表明,预测的寿命与试验结果吻合较好。     

超载对X52管线钢疲劳裂纹扩展的影响

试验研究了裂纹扩展过程中超载载荷迟滞效应。在恒定的应力比下,在不同强度因子幅下通过计算过载影响区大小来确定影响区内的迟滞裂纹扩展速率,并与无超载情况下的裂纹扩展速率相比较,定性地说明X52管线钢裂纹扩展中的迟滞效应。     

Fractographic analysis of the overload effect on fatigue crack growth in 2024-T3 and 7075-T6 Al alloys

The effect of single overload on the fatigue crack growth in 2024-T3 and 7075-T6 Al alloys was analyzed. Fatigue tests under constantamplitude loading with overload peak were carried out on V-notched specimens. Fractographic analysis was used as a principal approach to explain the crack growth retardation due to the overload. Scanning electron microscopy(SEM) analyses were conducted on the fractured surface of failed specimens to study the retardation effect. The obtained results show that the overload application generates a plastic zone in both aluminum alloys. The generated plastic zone is three times larger in the case of 2024-T3 compared to 7075-T6, and thus, a significant crack retardation was induced for 2024-T3. The retardation effect due to the overload for 2024-T3 and 7075-T6 lasted for about 10 mm and 1 mm, respectively, from the point of overload application.