Three-dimensional molecular dynamics simulation of hydrogen-enhanced dislocation emission and crack propagation

A three-dimensional molecular dynamics simulation using the embedded atom method (EAM) potentials shows that for both pure Ni and Ni+H, dislocations are firstly emitted during loading and the crack propagates after enough disloca tions are emitted. In the case of hydrogen embrittlement, local plastic deformat ion is a precondition for crack propagation. For the crack along the (1 11) slip pla ne, one atom fraction in percent of hydrogen can decrease the critical stress in tensity for dislocation emission KIe from 0.42 to 0.36 MPam 1/2, and that for crack propagation KIp from 0.80 to 0.76 MPam1/2. Therefore, hydrogen enhances dislocation emission and crack pro pagation.     

位错发射与纳米裂纹形核的TEM实验观察

本文进行了1Cr18Ni9Ti（奥氏体321型不锈钢）的TEM原位拉伸实验,再次观察到了位错从裂纹尖端的发射、无位错区形成、纳米裂纹形核及位错塞积等物理现象。其中无位错区更是形状清楚,和理论计算结果吻合,无位错区中的纳米裂纹形核与长大验证了微孔聚合的裂纹扩展机理。     

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.     

Rare earth effects on high temperature oxidation of pure nickel at 1000 ℃

Isothermal and cyclic oxidation behaviors of pure and yttrium-implanted nickel were studied at 1000 ℃ in air.SEM and TEM were used to examine the oxide scales formed on nickel substrate.It was found that Y-implantation greatly improved the anti-oxidation ability of nickel both in isothermal and cyclic oxidizing experiments.Acoustic emission(AE)technique was used to study the size and number distribution of defects at the oxide/metal interface.Laser Raman microscopy was also used to study the stress status of oxide scales formed on nickel with and without yttrium.The main reason for the improvement in anti-oxidation and adhesion of oxide scale was that Yimplantation greatly reduced the grain size of NiO and lowered the compressive stress within the scale.In the meantime,Y-implantation inhibited ion diffusion rate in the oxide scale and reduced the size and number of interfacial defects,hence remarkably enhanced the adhesion of protective NiO oxide scale formed on nickel substrate.     

氮化08F钢中氮化物的TEM观察及室温形变的影响

本文采用单向减薄制样法在透射电镜下观察了氮化08F铜中氮化物的形态及分布。结果表明:在氮化未形变的试样中,亚稳定的氮化物α”—Fe_(16)N_2主要是沿晶体的(100)面析出,同时在奥氏体晶界上也析出片状的氮化物。在形变氮化试样中氯化物主要是在位错缠结区和晶界处析出,而且氮化物的形态也不一样。     

氢致开裂的TEM原位拉伸观察与研究

通过对颈充氢３１０不风薄膜在透射电镜（ＴＥＭ）下的原位拉伸观察，并和不含氢试样的结果相比较，研究了氢在韧－脆转变中的作用及氢致脆断机理，结果表明，氢使奥氏体不锈钢由韧变脆的根本原因是氢降低了微裂纹形核时的临界应力强度因子，从而抑制ＤＦＺ中纳米级微裂纹向空洞的转化。     

失效叶片显微结构和力学性能研究

研究了低压汽轮机末级叶片２Ｃｒ１３不锈钢长期服役失后显微结构和力学性能的变化，与未服役的叶片相比，显微组织中位错密度升高，部分区域位错胞状组织形成，碳化物粒子粗化低温冲击断口上发现现服役叶片中有显微孔沿和裂纹形成，显微结构的变化导致了服叶片叶力学性能的改变，屈服强度，循环屈服强度，抗拉强度均有下降，弹性模量略有下降，疲劳性能测试结果表明，疲劳门槛值下降，疲劳裂纹扩展速率增加，而疲劳极限和材料的本质     

含裂纹bcc铁拉伸与疲劳的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究了含(0 1-1)[011]型中心裂纹的金属α-Fe在拉伸载荷和疲劳载荷作用下裂纹扩展的微观机制.研究结果表明:在拉伸载荷作用下,材料因应力集中导致了由bcc到hcp的相变,裂纹呈现严重钝化扩展现象,整个过程还伴随着层错、孪晶等现象的发生; 在循环载荷作用下时,位错沿滑移面(-2 1 -1)和(2 -1 1)快速发射,从而使得裂尖处应力得以快速释放,疲劳裂纹扩展相当缓慢,裂纹出现止裂现象,整个疲劳加载过程未发现孪晶、相变等现象.     

微裂纹起裂扩展机理的晶体相场模拟

【目的】研究初始晶向倾角为15°的样品分别在垂直和水平方向上,单轴拉应变作用下的纳观尺度裂口发射位错与裂纹扩展行为,了解韧性裂纹的生长特征和扩展规律,揭示纳米级韧性裂纹扩展机理及其对材料断裂的影响。【方法】采用晶体相场(PFC)方法观察15°晶向倾角下位错发射与裂纹扩展演化图及其对应的应力曲线图。【结果】垂直和水平不同方向拉应变作用下裂纹扩展方向不同,但裂纹都是韧性断裂模式扩展;当单轴拉应变作用达到临界值时,样品裂口开始发射滑移位错,随着外应力的增大,位错在滑移过程中留下一系列空位,空位长大连通形成裂纹并与主裂口相连,裂纹随着位错运动而扩展。【结论】在韧性裂纹扩展中,位错发射的运动对韧性裂纹扩展演化有重要影响。     

氢致Ⅱ型裂纹扩展的位错理论

本文利用位错理论研究了Ⅱ型裂纹前方的位错塞积群和其附近形成的氢气团。并首次将氢气团看作弹性夹杂，采用合理的近似，求得了夹杂的本征应变和应力场，研究了氢气团与塞积群的交互作用，求得了塞积群的位错密度和应力强度固子，讨论了氢致开裂的物理过程和裂纹扩展速率。结果指出，氢气团促进裂纹尖端位错源开动，促进滞后塑性变形发生，提高塞积群顶端的位错密度和应力强度因子，促进该处微裂纹的形成和扩展。     

圆锥形图形化蓝宝石衬底对MOCVD生长GaN外延膜的位错密度和应力应变影响

通过金属氧化物化学气相沉积（MOCVD）方法在2．5μm×1．6μm×0．5μm圆锥形图形化蓝宝石衬底（CPSS）和没有图形化平面蓝宝石衬底（uss）上生长GaN外延膜．高分辨率X射线衍射仪（HRXRD）测试结果表明,生长在CPSS上GaN的刃位错的密度比生长在USS上GaN的刃位错密度低得多;从透射电子显微镜（TEM）观察,CPSS可有效地减小GaN外延膜中的线位错密度;拉曼散射谱显示通过CPSS可有效地减小GaN外延膜中的残余应力;比较两种外延膜中的光致发光谱（PL）,能从生长在CPSS上GaN外延膜中观察到强而尖的带边发射．以上结果表明：生长在CPSS上GaN外延膜的质量高于生长在USS上GaN外延膜的质量．     

全层片组织 TiAl 基合金室温断裂机理的研究

在ＳＥＭ和ＴＥＭ下对Ｔｉ３３Ａｌ３Ｃｒ０．５Ｍｏ合金全层片组织薄板状和薄膜状试样分别进行了动态拉伸，并原位观察了试样中裂纹的形核及扩展过程．发现裂纹遇到内相界面时会发生偏转或裂尖发生钝化；主裂纹主要以使剪切带断裂而与微裂纹相连接的方式扩展并沿曲折路径进行．     

三角缺口与圆形缺口起裂和裂纹扩展的晶体相场模拟

【目的】研究具有不同初始缺口的样品在单轴拉伸应变作用下裂纹起裂扩展的方式。【方法】采用晶体相场(PFC)法模拟不同缺口裂纹的扩展演化图及相应的应力分布。【结果】三角形裂口两侧裂纹起裂与扩展情况存在明显的差异,左侧裂口出现韧和脆两种类型的裂纹生长,而右侧的缺口是解理裂纹扩展;圆形裂口两侧的裂纹萌生,开始时表现为发射位错,然后形成空洞,随着裂纹进一步发展,逐渐转变为解理扩展。在应变施加初期,应变场强较弱,只在裂口附近有变化,形成二个环状的分布,在萌生裂纹的区域,出现应变集中。随着裂纹扩展,应变场环绕在裂纹周围,形成大的椭圆环状,在裂尖附近和位错区域,都存在应变集中。【结论】不同初始缺口对缺口起裂的时刻、方式和裂纹扩展有影响。     

冷裂纹产生机理分析

机械加工中出现的冷裂纹,是由于淬硬组织、氢和应力共同作用的结果,金属晶粒中位错的存在,将三个因素联系了起来。加工中严格控制氢的含量,是直接和有效防止冷裂纹产生的手段。     

铁素体/珠光体界面对耐酸管线钢氢致开裂敏感性的影响

利用OM、SEM、EBSD、TEM等手段,分别对热轧态和退火态耐酸管线钢的微观组织、晶界分布、位错及析出相进行表征,测试了不同组织管线钢的氢致开裂(HIC)敏感性,计算分析了有效氢扩散系数、氢陷阱密度及其对不同组织的氢捕获效率,重点探讨了铁素体/珠光体(F/P)界面对耐酸管线钢HIC敏感性的影响。结果表明,随着管线钢珠光体含量的增加,F/Fe_3C界面及F/P界面越多,二者作为不可逆氢陷阱会阻碍氢的扩散,提高氢的捕获效率,有效氢扩散系数降低,管线钢的HIC敏感性提高;F/P界面附近位错的聚集会加速氢原子向高界面能的F/P界面聚集,使氢致裂纹起始于F/P界面处,并沿着F/P界面扩展。     

基于FIB和TEM的纳米材料中界面分层破坏的实验方法研究与应用

本文针对三维尺寸均处于纳米量级的材料与结构中常见的界面分层破坏问题,利用聚焦离子束技术(FIB)和透射电子显微镜(TEM)开发设计了一套研究纳米材料中界面端部裂纹启裂行为的实验方法.采用FIB成功从宏观多层薄膜材料(硅/铜/氮化硅,Si/Cu/SiN)中切割制备出了由硅基体(Si)和200 nm厚铜薄膜(Cu)及1000 nm厚氮化硅层(SiN)构成的纳米悬臂梁试样.利用高精度微小材料加载装置,在TEM中对该试样进行加载实验,并原位观测了不同试样中Cu/Si界面端部裂纹启裂的行为.通过对启裂瞬时Cu/Si界面上临界应力分布的有限元分析发现,不同尺寸试样中的界面上法向应力与剪切应力均集中在距界面端部100 nm的范围内,且临界法向应力远大于剪切应力.对应力分布的进一步分析则发现,距界面端部5 nm区域内的法向应力场控制着Cu/Si界面的分层破坏过程,可用于表征界面分层破坏的局部控制准则.     

Influence of Yttrium Implantation on Oxidation Behavior of Pure Nickel at 1 000℃

Isothermal and cyclic oxidation behaviors of pure and yttrium-implanted nickel were studied at 1000℃ in air. The oxide scales formed on nickel substrates were performed using SEM and TEM. It was found that Yimplantation greatly improved the anti-oxidation ability of nickel both in isothermal and cyclic oxidizing experiments. Laser Raman microscopy was also used to study the stress status of oxide scales formed on nickel with and without yttrium. The main reason for the improvement in antioxidation and adhesion of oxide scale was Y-implantation greatly reduced the grain size of NiO and lowered the compressive stress within the scale. Yttrium implantation enhanced the adhesion of protective NiO oxide scale formed on nickel substrate.     

Integrated TEM/transmission-EBSD for recrystallization analysis in nickel-based disc superalloy

Turbine discs in gas-turbine engines always experience high-temperature and high-stress environment. Extensive investigations have been performed towards achieving high performance. Deformation behaviors and degradation factors above normal service temperature are important to be comprehensively understood for further development and optimization of turbine disc superalloys. In this study, the low cycle fatigue behaviors were investigated under total strain amplitude control in U720 Li disc superalloys. The results revealed that with the increasing strain, the number of dislocation increased and dislocation configuration transferred from pile-up at the matrix/γ′ precipitates interfaces to penetrating into γ′ precipitates. The great extent of recrystallization was found above the normal service temperature through transmission-EBSD combined with TEM analysis. The low cycle fatigue property above the normal service temperature was weakened to a large extent after recrystallization of small-angle grains formed by the dislocation substructures and movements. Large extent of local recrystallization could also provide much more sites for the crack initiation and propagation.     

高压氢气对金属材料断裂韧性的影响

基于应力诱导氢扩散理论、氢致键合力降低理论和线弹性断裂力学理论,提出了一个描述氢气对金属断裂韧性影响的数学模型,用于定量预测金属在氢气中的断裂韧性.结果表明,当已知金属在低压氢气中的断裂韧性时,利用所提出的模型可以外推出金属在高压氢气中的断裂韧性,从而避免了在高压氢气中测量金属断裂韧性所带来的危险性.同时,利用文献报道的几种金属材料在不同氢气压力下的断裂韧性试验值对模型进行验证发现,所建立的模型对预测金属在氢气中的断裂韧性具有较好的有效性.