納米晶體材料中納米級(jí)非晶化對(duì)裂紋鈍化的影響.pdf

1、納米晶體材料有著卓越的力學(xué)及物理性能，引起了人們的廣泛關(guān)注。在大多數(shù)情況下，納米晶體材料有著高強(qiáng)度、高硬度以及良好的耐磨損性能。與此同時(shí)，納米晶體材料又表現(xiàn)出極低的斷裂韌度以及拉伸延性。然而，很多實(shí)驗(yàn)都發(fā)現(xiàn)有部分納米晶體材料卻表現(xiàn)出超塑性以及超韌性，并且將這些性能歸結(jié)為納米晶體材料中的特殊變形模式，包括納米晶體中的非晶化、Coble蠕變、晶界遷移以及滑移、晶粒的旋轉(zhuǎn)變形等。特別是納米晶體材料中的非晶化，通過(guò)大量的計(jì)算機(jī)模擬以及實(shí)驗(yàn)觀察研

2、究，人們將其視為納米晶體材料中的一種特殊的變形模式，并且對(duì)材料的強(qiáng)韌化有著重要的影響。但是，人們還尚未揭示這一現(xiàn)象的微觀力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)演變的定量關(guān)聯(lián)。納米晶體材料在使用和生產(chǎn)的過(guò)程，不可避免會(huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)，微裂紋等微觀缺陷，而這些微觀缺陷與納米晶體材料中的特殊變形模式則成為了研究納米晶體材料斷裂的基礎(chǔ)。而裂紋尖端位錯(cuò)的發(fā)射是材料的脆性與韌性轉(zhuǎn)變的重要依據(jù)，因此，研究納米晶體材料中非晶化對(duì)裂紋尖端位錯(cuò)發(fā)射的影響，不僅有利于探索裂紋尖

3、端位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)與納米晶體材料中的微結(jié)構(gòu)演變與材料斷裂韌度的關(guān)系，還能為納米晶體材料的斷裂預(yù)防提供理論基礎(chǔ)。
　　本文以納米晶體材料為研究對(duì)象，以實(shí)驗(yàn)觀察現(xiàn)象為依據(jù)，建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用復(fù)變函數(shù)、保角映射等方法，較為系統(tǒng)的研究了納米晶體材料中的非晶化與位錯(cuò)、裂紋相互干涉對(duì)材料斷裂韌度的影響規(guī)律。
　　首先，研究了納米晶體材料中非晶化對(duì)有限長(zhǎng)直線裂紋尖端位錯(cuò)發(fā)射的影響。建立了裂紋、位錯(cuò)以及用三對(duì)向錯(cuò)偶極子表征非晶化區(qū)域之間的影

4、響。研究表明，納米晶體材料中的非晶化對(duì)裂紋尖端位錯(cuò)發(fā)射起阻礙作用，位錯(cuò)發(fā)射最可能的角度會(huì)隨著非晶化區(qū)域強(qiáng)度的增大而減小，裂紋的長(zhǎng)度對(duì)位錯(cuò)的發(fā)射有著重要影響。
　　其次，建立了刃型位錯(cuò)與表面直線裂紋以及表征非晶化區(qū)域的向錯(cuò)結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)模型，獲得了裂紋尖端位錯(cuò)發(fā)射的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的精確表達(dá)式，揭示了非晶化區(qū)域的強(qiáng)度及其各個(gè)參數(shù)、外荷載、表面直線裂紋的長(zhǎng)度、位錯(cuò)發(fā)射角等對(duì)表面直線裂紋尖端位錯(cuò)發(fā)射的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響規(guī)律。研究

5、表明，Ⅱ型荷載相比較于Ⅰ型荷載，裂紋尖端位錯(cuò)更容易發(fā)射，納米級(jí)非晶化能夠阻礙表面直線裂紋尖端位錯(cuò)發(fā)射。
　　最后，建立了刃型位錯(cuò)與橢圓鈍裂紋以及納米晶體材料中非晶化變形的相互干涉的力學(xué)模型，精確地導(dǎo)出了橢圓鈍裂紋端點(diǎn)位錯(cuò)發(fā)射的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的解析表達(dá)式，揭示了非晶化區(qū)域的強(qiáng)度、大小及其方位角、橢圓鈍裂紋的長(zhǎng)度及其尖端曲率、位錯(cuò)發(fā)射角等對(duì)橢圓鈍裂紋端點(diǎn)位錯(cuò)發(fā)射的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響規(guī)律。研究表明，納米級(jí)非晶化不僅能夠釋放裂紋尖端