纳晶材料中孪晶及孪晶界位错塞积对裂纹钝化的影响

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纳米晶体材料因其独特的物理和机械性能获得了广泛的关注。特别是,其超强的韧性、硬度和耐磨性。然而,在大多数情况下,纳米晶体材料又表现出延伸性低,断裂韧性差这些缺点,这些缺点都极大的限制了纳米晶体材料在实际中的应用。然而,一些实验研究表明部分面心立方晶体材料,例如铜,既能展现出良好的塑性,又能展现出良好的韧性,这就显得比较奇怪。目前这些材料具有良好的韧度和强度的机理并不清楚,所以在这种特定的纳米晶体材料断裂韧度的研究获得了很多的关注。近些年来,提出了很多模型解释这种机理,其中晶界的局部迁移、特殊旋转变形、晶界的滑移、变形的孪晶等都被看作是纳米晶体材料中特殊的变形模式。研究纳米晶体材料中孪晶及孪晶界位错塞积对裂纹尖端位错发射的影响,不仅有助于我们理解裂纹尖端位错发射引起的材料微结构演变与材料断裂韧度之间的关系,而且还可以为晶体材料的结构设计和断裂预防提供理论基础。  本文以纳米晶体材料服役过程微观结构演变为背景,建立相关连续介质力学模型,运用弹性复变方法,研究了孪晶及其界面位错塞积对裂纹钝化的影响规律,主要成果如下:  (1)建立了无限弹性平面含有限长直裂纹与纳米孪晶及其界面位错塞积相互干涉的弹性模型,导出了裂纹尖端位错发射的临界应力强度因子公式,由此发现:  (a)孪晶内以及其界面位错塞积能抑制裂尖位错发射,以而弱化断裂韧性。同时孪晶界位错塞积对裂尖位错发射的抑制作用强于孪晶。  (b)裂纹长度对 I型裂纹尖端的屏蔽和反屏蔽效应影响不大,但是位错发射角的影响比较大。断裂韧性与孪晶尺寸密切相关,并且存在一个最佳孪晶尺寸。  (2)建立椭圆钝裂纹与孪晶及孪晶界位错塞积相互干渉的模型,并引入向错四极子描述纳米孪晶对裂纹的影响,导出了钝裂纹尖端位错发射的临界应力强度因子的表达式,揭示了向错强度、孪晶尺寸、方位角、椭圆形钝裂纹的长度、椭圆形钝裂纹端点的曲率半径、位错的发射角度等因素对椭圆形钝裂纹尖端位错发射的影响规律。
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