加工硬化材料裂纹尖端塑性区的位错分布

由于裂纹尖端塑性区的位错分布与材料的断裂密切相关,它引起了人们的极大兴趣。人们在处理裂纹尖端塑性区的位错分布方面已进行了大量的工作。最近,Ellyin和Fakinlede采用非线性的位错模型讨论了加工硬化材料的裂纹尖端塑性区的位错分布。但由这个模型得到的位错均为正位错,且位错分布函数D(u)随x单调变化,这和实验结果不一致。龙期威用修正的BCS模型讨论了线弹性裂纹尖端塑性带的位错分布,发现在裂纹尖端塑性     

脆断微裂纹形核的原位观察

Rice和Thomson及其支持者认为脆断裂纹扩展时不会发射位错.对Si和Fe-Si,解理裂纹扩展前能发射一些位错,故Argon认为Si的韧脆转变取决于裂尖发出位错的多少.而Chiao认为,如裂尖发出的位错不能运动离开就导致脆断.Gerberich等认为随裂尖发射位错,有效应力场强度因子增加,当它达到临界值时就导致解理扩展,称之为“塑性诱发解理”.总之,他们均认为解理裂纹是连续扩展的,裂尖发射位错就导致钝化,裂纹解理扩展前不发射或只发射极少量位错.     

相界上裂纹的两个奇异指数

考虑如图1所示的半无限长平面裂纹问题。裂纹与折线相界相交于相界拐点上,裂纹沿长线与相界的夹角分別为λ~+、λ~-,荷载P、Q作用在远离裂纹尖端处,两相材料均为均匀各向同性的弹性材料,剪切模量和泊松比分别为G_1、G_2和v_1、v_2。     

关于曲线动力扩展裂纹尖端场

由于工程实际的需要,弹性固体中复合型载荷作用下的裂纹动力扩展问题近年来受到了较大重视。在复合型载荷作用下,裂纹一般沿曲线路径扩展。Freund和Clifton首先分析了这一问题。他们证明了在以裂纹尖端为原点、以裂纹瞬时扩展方向为x轴的局部坐标系中,裂纹尖端主奇异场的结构和直线扩展裂纹是相同的。Achenbach和Baant亦得到了相同的结果。鉴于裂纹尖端高阶渐近解对曲裂准则有较大影响,Nishioka和Atluri给出了直     

Griffith裂纹的非局部弹性解析应力场

Griffith裂纹问题是断裂力学的基本问题。自从断裂力学成为一门独立的固体力学分支以来,Griffith裂纹的经典弹性应力场在裂纹尖端的奇异性一直是人们力图消除的问题。消除裂纹尖端应力场的奇异性,不仅对认识裂纹尖端的应力状态具有理论意义,而且对于更完备地建立脆性材料的断裂准则具有较大的实用意义。 美国学者Eringen、我国学者虞吉林、郑哲敏等,曾用近20年来发展起来的非局部     

氢致微裂纹形核的透射电镜原位观察

310稳定型奥氏体不锈钢在严重电解充氢后能产生氢致滞后断裂.当氢含量较高K_I较低时,断口形貌由原来的韧窝变为准解理.奥氏体不锈钢缺口试样在充氢时,缺口前端的塑性区及其变形量能随着充氢时间增长而不断增大,即氢促进了位错的增殖和运动,当这种氢致局部塑性变形发展到临界值时便引起氢致裂纹的形核.这表明,氢致脆性裂纹是以位错的增殖和运动为先决条件的,但细节并不清楚.本文将通过充氢薄膜试样在透射电镜(TEM)中进行原位拉伸,研究氢致裂纹形核和位错发射及运动之间的关系;并和不含氢试样的类似研究进行对比,以揭示两者间的本质区别.     

离散位错动力学算法及其在材料塑性行为模拟中的应用

晶体材料的塑性变形由位错的运动演化而引起.离散位错动力学(discrete dislocation dynamics, DDD)通过直接模拟大量位错的演化而研究材料的塑性变形,因此能够揭示材料微结构-位错微结构-塑性力学行为之间内在的物理关联,并能够自然而然地捕捉塑性变形微米/亚微米特征尺度下本征的尺度效应.它所能模拟的尺度介于微观分子动力学模拟和宏观有限元模拟之间,在多尺度算法中起到承上启下的作用.本文首先系统地发展、完善和丰富了离散位错动力学-有限元(finite element method, FEM)叠加算法、DDD-FEM直接耦合算法(discrete-continuous method, DCM)以及离散位错动力学-扩展有限元(extended finite element method, XFEM)耦合算法等框架体系.在此基础上,利用这些方法对单晶镍基高温合金的塑性变形机理、晶体材料的断裂和损伤变形行为以及塑性行为的微尺度和微结构效应3个方面开展了系统的研究.所得模拟结果指导了基于微结构和位错机制的单晶镍基高温合金晶体塑性本构模型的建立,丰富和加深了人们对材料强化、循环塑性、断裂、损伤、尺度效应和微结构效应的认识.此外,离散位错动力学可进一步应用于诸如高温、高压、高应变率、化学腐蚀环境、高辐照等极端条件下晶体材料塑性行为的研究,是材料力学行为多尺度模拟研究中的重要一环.     

相似等参单元

在二维的有限单元法里,为了解决内角大于π的边界角点上解的奇性问题,发展了无限相似单元法.文献[1,2]用于解决LaPlace方程的边值问题,文献[3]用于解决二维线性弹性断裂力学问题(这时裂纹尖端的内角等于2π)。这些工作的要点在于利用相似三角形单元有相     

崩滑体失稳破坏断裂力学分析

文章基于断裂力学分析,揭示了崩滑体破坏面裂纹尖端在应力场、外界因素作用下产生断裂扩展,其是崩滑体失稳的根本原因。计算归纳了滑动面的I、Ⅱ型、复合型断裂强度因子和扩展角的计算方法,对有效治理崩滑体、防灾减灾有一定的指导意义。     

崩滑体失稳破坏断裂力学分析

文章基于断裂力学分析,揭示了崩滑体破坏面裂纹尖端在应力场、外界因素作用下产生断裂扩展,其是崩滑体失稳的根本原因.计算归纳了滑动面的Ⅰ、Ⅱ型、复合型断裂强度因子和扩展角的计算方法,对有效治理崩滑体、防灾减灾有一定的指导意义.     

弹塑性裂纹尖端场研究的最近进展

尖端场的研究是断裂力学中的核心问题之一。本文讨论Ⅰ型平面应变裂纹在理想弹塑性材料中的准静态定常扩展。如果材料是不可压缩的(泊松比v=1/2),Slepyan,Gao与Rice分别得到的四区解(即裂尖场上半平面由四个区组成,以后称为不可压缩材料的解)已为     

高速撞击诱导大梯度纳米结构化高熵合金的力学行为

国防军工与航天领域的防护结构要求材料能经受住弹体或空间碎片的高速撞击,包括处于极低温环境.高熵合金因其特殊的化学结构与优异的综合力学性能,成为新型装甲防护材料研究的新范式.本文通过弹丸高速撞击高熵合金靶板的响应分析,提出了一种通过室温和低温高速冲击制备大梯度纳米晶和纳米孪晶混合结构高熵合金的新方法,并研究了该梯度纳米结构高熵合金的拉伸力学性能以及变形机理.结果表明,大梯度纳米结构从冲击端到自由面,微结构过渡主要为:纳米晶-纳米晶带-高密度纳米孪晶带/高密度位错带/点阵旋转带-稀疏纳米孪晶带/高密度位错带/点阵旋转带-高密度位错-稀疏位错.单纯纳米晶和纳米孪晶混合结构的梯度层厚度达到4 mm,远超传统手段制备的梯度层厚度(小于500μm).相比初态样品,大梯度纳米结构高熵合金的强度提升明显,最高提升390%,塑性仍保持在较大范围内:21%～62%.这得益于大梯度样品“软区”和“硬区”共存,除了较大背应力提供额外强化外,软硬组织弹塑性变形的不同步和断裂发生的不同步也会额外提高力学性能.本研究不仅可为开发块体大梯度纳米结构材料提供新方法,也可为理解高熵合金的抗弹行为并指导装甲防护材料设计提供...     

声发射监测裂纹闭合行为

疲劳过程的声发射(AE)研究目前已做了许多工作,但与其裂纹闭合效应联系起来,还未见这方面的详细报道。声发射是材料内部局部区域应变能释放而产生的弹性应力波。材料形变时,位错运动、裂纹成核和扩展等均能产生AE。业已知道,带裂纹试样的声发射主要来自于裂尖的塑性变形和裂纹扩展,因此,声发射也受裂尖应力强度因子控制。基于这一原理,本文认为裂纹闭合效应也一定与声发射有对应关系。裂纹由接触到张开,柔度突然增大,塑性变形突增,以及有效裂纹长度迅速增加,反之亦然,声发射必定会给出这一突变以响应。实验极好地论证了这一预测,为监测裂纹闭合效应提供了一种新的测试手段。     

位错与晶体的力学性质

1956年9月6日至8日在美国纽约普莱西湖举行了一个金属物理会议,约有40位来自各国的冶金学家和物理学家参加,会议主要讨论了位错晶体的力学性质。上一次相同性质的会议是于1954年在英国开的。把这次会议和上次来此,这次会议讨论的问题有两个主要的特点:第一,位错理论的发展至少暂时已经告一段落,位错的研究现在已经肯定地是实验物理家的事了。原因在于单个位错和位错的简单排列的几何理     

BiTiO3单晶电致疲劳裂纹扩展的原子力显微镜研究

利用原子力显微镜(AFM)原位研究了BaTiO₃单晶压痕裂纹电致疲劳的扩展过程, 以及交变电场引起的畴变和疲劳裂纹扩展的相关性. 结果表明, 正负交变电场并不引起裂纹尖端电畴的交替变化, 而是在裂纹周围发生随机转变, 随着电场交变次数的增加, 止裂裂纹重新起裂扩展.     

快速凝固Ni-47Al合金调幅组织的TEM研究

B2结构的NiAl具有高熔点、低密度和优异的耐蚀性能,因而有希望成为一类新型的高温结构材料。但低的室温塑性是这类材料走向实用化的主要障碍。采用快速凝固的方法细化晶粒是已知能有效地改善其室温塑性的方法之一。Gaydosh等研究了熔体旋转快速凝固NiAl薄带,性能测试表明NiAl快速凝固后的弯曲断裂应变从铸态的0增加到0.9％～1.3％,进一步在1273K退火1h后应变提高到2.25％,热处理能够明显地提高塑性表明存在其它因素影响快速凝固NiAl合金的塑性,但这一问题却一直未能澄清。近年来,随着长程有序金属间化合物研究的深入,一些研究者相继在快速凝固的强有序化相Ni_3Al,Ti_3Al,FeAl等铝系金属间化合物中发现存在亚稳组织,同样作为强有序化相的NiAl,由于其有序转变的临界温度与液固温度基本重合,因而尚未见在单相成分范围内存在亚稳组织的报道。最近,我们发现接近化学计量的快速凝固NiAl合金中存在亚稳的调幅组织,而这一现象尚未见前人报道。另外,亚稳的调幅组织的发现也使热处理提高快速凝固NiAl合金塑性的现象得到了合理的解释。     

BiTiO3单品电致疲劳裂纹扩展的原子力显微镜研究

利用原子力显微镜（AFM）原位研究了BaTiO3单晶压痕裂纹电致疲劳的扩展过程，以及交变电场引起的畸变和疲劳裂纹扩展的相关性．结果表明、正负交变电场并不引是裂纹尖端电畴的交替变化。而是在裂纹周围发生随机转变．随着电场交变次数的增加，止裂裂纹重新起裂扩展。     

非晶态固体力学

经典的固体变形和断裂理论建立在连续介质尺度,结合位错、晶界、解理等概念可成功应用于各类晶态固体.然而,该经典路径对于拓扑长程无序的各类非晶态固体面临极大的概念和理论挑战.根本原因是,传统晶体学概念在非晶态无序结构中无法定义,导致以此为基础建立的固体力学理论全部失效.本文针对非晶合金这类典型非晶态固体及其对应的原子或胶体模拟体系,介绍和评述与力学相关的研究进展,包括塑性载体、塑性本构理论、蠕变与应力松弛、剪切带、断裂失效.最后,对非晶态固体力学研究的发展现状和未来趋势进行简要总结.     

基于椭圆形微裂纹演化与汇合的准脆性材料本构模型

微裂纹演化与汇合是导致准脆性材料损伤及破坏的主要因素.采用复势函数法求解了受远场载荷作用下代表性单元中椭圆微裂纹的变形,讨论了椭圆微裂纹初始取向的变化对微裂纹尺寸增长和偏转角度的影响,并结合微裂纹扩展准则推导了损伤起始的临界应力.基于翼型裂纹扩展过程的能量守恒方程,建立了损伤阶段的本构关系.对裂纹汇合模式进行了讨论,建立了翼型裂纹汇合的几何模型,由翼型裂纹汇合的临界条件给出了断裂失效应变,最后给出了与细观结构演变过程相对应的本构模型,并应用该模型计算了岩石类材料单轴压缩下的应力应变曲线,与实验结果吻合良好.     

超常塑性Mg77Cu12Zn5Y6块体金属玻璃基内生复合材料

报道了一种具有超常塑性的Mg₇₇Cu₁₂Zn5Y₆块体金属玻璃(BMG)基内生复合材料, 该材料的压缩塑性和比强度分别为18.5%和4.31×10⁵ N·m·kg^-1, 是迄今为止在Mg基BMG复合材料中所获得的最高压缩塑性和比强度. 这些高性能源于由非晶基体与宽度小于500 nm的针状Mg基固溶体相组成的复合结构. 针状相本身具有应变强化作用, 它导致了多方向剪切带的形成, 有效地阻碍非晶基体中剪切带的扩展, 使复合材料形变过程中出现了明显的加工硬化现象.