伴随微孔洞生长的裂纹弹塑性定常扩展

裂纹在韧性材料中扩展时，将伴随着微孔洞的萌生和生长．孔洞的萌生和演化将直接影响着材料的总体断裂韧性和强度．以往的研究主要集中在将裂纹的扩展刻划为微孔洞的萌生、生长和汇合这样一个过程．从传统的断裂过程区模型出发研究微孔洞的萌生和生长对材料总体断裂韧性的影响，通过采用Ｇｕｒｓｏｎ模型，建立塑性增量本构关系，然后针对定常扩展情况直接进行分析．孔洞对材料断裂韧性的影响由本构关系刻划，而在孔洞汇合模型中，上述影响则由断裂过程区的改变来体现．研究结果显示出，微孔洞的萌生与生长将使材料断裂韧性降低并随着初始孔洞体积百分比的增大裂纹呈脆性扩展且发生损伤破坏．

微孔洞生长对板材拉伸过程中变形局部化的影响

本文在作者提出的含微孔洞材料下限本构方程的基础上,采用初始缺陷带模型对微孔洞生长及分布对板材拉伸过程中变形局部化的影响进行了分析,着重研究了细观损伤演化规律对变形局部化模式及临界应变的影响,并成功预测了AISI4340钢板材拉伸试件变形局部化失稳应变及失稳方向。

单晶铝孔洞生长的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟不同晶向单轴加载过程中,单晶铝中微纳米孔洞(约1.6 nm)的生长及周围区域的变形过程。为研究晶向对孔洞生长的影响,对具有相同初始孔洞体积分数的两个晶向进行拉伸加载,并对不同温度影响进行研究。结果表明:A晶向(x-[100],y-[010],z-[001])的形变机制主要是{111}晶面部分位错引起的堆垛层错,B晶向(x-[-110],y-[111],z-[11-2])主要是位错的移动与堆积;B晶向比A晶向的位错成核应力大;B晶向屈服应力比A晶向对温度敏感。

基于晶体塑性理论的孔洞生长行为研究

采用率相关晶体塑性模型,建立三维胞元计算模型,研究了晶粒取向和晶界对孔洞生长和聚合的影响.比较了不同晶粒取向的单晶和双晶体中孔洞的生长趋势,发现晶粒取向对孔洞生长方向,孔洞形状等有着显著的影响.

拉伸载荷下α-Ti孔洞生长的机制研究

利用分子动力学方法,对含有预置微裂纹α-Ti模型施加不同方向拉伸载荷,通过观察模型内孔洞及位错的变化情况,揭示了孔洞生长的机制与初始缺陷对材料吸收能量在不同划分区域的规律。研究发现:当拉伸载荷沿着垂直于密排面的[0001]方向时,预置裂纹愈合,α-Ti会从hcp晶格转换为fcc晶格,从而使晶体中的位错种类更多、密度更大、能量吸收率更高;当拉伸载荷沿着[1230]方向拉伸时,位错种类主要为1/3[1210]类型,裂纹则生长为一定尺寸的孔洞,孔洞与滑移带对模型体系吸收能量区域有划分作用,转换的晶格主要为非晶结构,滑移带方向取决于材料晶格,位置取决于初始裂纹;α-Ti沿[0001]晶向拉伸后模型明显颈缩,裂纹缺陷空位被两侧团簇占据,α-Ti沿[0001]晶向拉伸比沿[1230]方向拉伸时拥有更好的塑性和延展性。

高应变率下温度对单晶铁中孔洞成核与生长影响的分子动力学研究

采用嵌入原子势的分子动力学模拟方法,研究了5×10^9 s^–1应变率下,温度效应对单晶铁中孔洞成核与生长的影响,并对NAG(nucleation and growth)模型在单晶铁中的适用性进行了探讨.结果表明:随着温度的升高,单晶铁的抗拉强度峰值降低,1100K温度下单晶铁抗拉强度峰值比100 K温度下降低了35.9%.在100-700K温度下,拉应力时程曲线表现出双峰值特点,分析表明,第一峰值是由于拉应力升高引起内部结构发生相变而产生,第二峰值则是因发生孔洞成核与生长而产生;900-1100K温度下,拉应力时程曲线表现为单峰值,孔洞成核与生长是拉应力下降的主要原因.分析发现,孔洞在高温下更容易成核,高应变率下单晶铁中孔洞成核与生长和NAG模型有较好的符合度,单晶铁中孔洞成核阈值与生长阈值都远高于低碳钢,并且孔洞成核阈值与生长阈值随着温度的升高而逐渐降低.研究结果可为建立高应变率下金属材料动态损伤演化模型提供借鉴.

铁素体-贝氏体双相钢韧性断裂过程中的夹杂物临界尺寸及孔洞生长

利用多模态关联成像方法研究了铁素体-贝氏体双相钢韧性断裂过程中局部微结构对孔洞生长的影响。首先使用X射线CT成像技术,从宏观层面量化分析了变形过程中孔洞的生长,并定位典型孔洞的空间坐标。之后对选定的目标孔洞,采用等离子体聚焦离子束(PFIB)进行连续切片三维电子背散射衍射(3D-EBSD)扫描成像,从介观层面研究孔洞周围微观组织对孔洞形核与生长的影响。结果显示,夹杂物周围和贝氏体中均有孔洞形成。尽管有时促使大尺寸孔洞生长的应变比小尺寸孔洞处的应变更小,但相比于在小尺寸夹杂物或贝氏体中形核的孔洞,大尺寸夹杂物导致的孔洞体积更大。进一步对孔洞周围的位错密度研究显示,上述现象可能是由于不同尺寸的夹杂物周围应变梯度不同造成的。孔洞周围的位错密度与诱发孔洞的夹杂物尺寸成反比,存在明显的尺寸效应,表明影响孔洞生长的夹杂物存在一个临界尺寸。利用解析理论模型推测出夹杂物临界尺寸范围为1.85~2.86μm,小于该临界尺寸的夹杂物诱发的孔洞,由于局部变形梯度效应,位错塞积会阻碍孔洞的生长。孔洞的生长是非均匀的且其形状表现出各向异性,孔洞生长形貌与周围晶粒的可变形性相关,可用晶粒尺寸加权的Schmid因子描述。

应力诱发界面迁移下晶内孔洞的演化

随着微电子技术的迅猛发展,集成电路中内连导线的失效问题引起广泛关注.内连导线内部孔洞萌生、长大、漂移和失稳变形成狭长裂纹,从而导致电路的开路失效.这是内连导线失效的常见形式.而界面迁移是导致微结构形态演化的主要机制之一.本文基于界面迁移下微结构演化的经典理论和弱解描述,建立了应力诱发界面迁移下微结构演化的有限单元法,并验证了算法的可靠性.对铜内连导线中晶内孔洞的演化进行了数值模拟,详细分析了应力、线宽及形态比对晶内孔洞演化的影响.研究结果表明,椭圆形晶内孔洞存在生长和收缩两种演化分叉趋势.通过大量数值分析得到了晶内孔洞演化的临界应力?σ_c、临界线宽?h_c和临界形态比β_c.当?σ≥?σ_c,?h≤?h_c或β≥β_c时,晶内孔洞会沿长轴长大;反之,晶内孔洞会收缩甚至愈合.此外,应力?σ越大、线宽?h越小或形态比β越大,晶内孔洞越易发生长大,且孔洞面积增大速度越快;?σ越小、?h越大或β越小,晶内孔洞越易发生收缩,且孔洞面积减小速度越快.

含孔洞缺陷的单晶α-Ti单轴拉伸下的微观变形机理及力学性能

采用分子动力学方法模拟了含球形孔洞的单晶α-Ti在单轴拉伸载荷作用下孔洞的生长过程和微观力学特性。研究表明,低应变率作用下,材料应力-应变曲线出现四个不同响应阶段:初始线性阶段、急剧下降阶段、快速增长阶段、快速下降至平稳阶段。由模拟结果原子构型图观察得知,对于孔洞赤道附近的锥面〈a〉型滑移系{1101}〈1120〉和{1011}孪生是孔洞生长的主要形式。通过研究模型尺寸、应变率、孔洞体积分数对单晶α-Ti材料力学性能的影响,结果表明:该材料的初始屈服应力随着模型尺寸、孔洞体积分数的增加而减小,随着应变率的增加而增大;杨氏模量只与孔洞体积分数有关,并随着孔洞体积分数的增大而减小。

新型耐热钢T91的蠕变断裂寿命估算

T91 /P91钢是国外为提高火力发电机组的效率而研制的一种高合金耐热钢 ,它是完成超临界发电机组主蒸汽参数由 5 66℃向 5 93℃过渡的关键材料。采用受约束蠕变孔洞生长模型计算了不同试验条件下T91钢的蠕变断裂时间 ,计算值与实测值相差不到 2倍。在对模型修正后 ,计算得到的断裂时间与实际值更为接近 。

酸性土壤铝的形态、迁移特征及对林木根系的影响

采用孔洞根系生长法 ,研究了土壤中不同形态铝含量的变化及对杉木、马尾松根系生长的影响。结果表明 :土壤中加入铝离子后 ,土壤pH下降 ,活性铝含量明显增加 ,孔洞中林木根系表现为明显的铝中毒症状 ;加入钙离子后 ,土壤pH升高 ,土壤中活性铝含量显著下降 ,根系生长得到改善 ;1a后 ,与原孔洞中土壤相比 ,土壤中总铝含量降低 ,交换态铝含量有所降低 。

土壤中铝对火炬松根系影响的试验研究

采用孔洞根系生长法，进行铝对火炬松根系生长影响的野外实验研究，结果表明：土壤中加入铝离子后，活性铝含量大大提高，pH值显著下降，根的数量较少且表现为铝毒症状；加入钙离子后，在pH值提高的同时，活性铝含量也显著下降，根生长得到了明显改善。说明铝对根有抑制作用，而钙对铝毒有拮抗作用。

一种基于DF系列改进的金属薄板韧性断裂准则

为了精确地描述延性金属在不同应力状态下的断裂行为,通过对材料塑性变形时内部微观孔洞的形核、生长和聚合机制的分析,提出了一种改进的基于DF系列的韧性断裂准则,该准则充分考虑了孔洞颈缩合并机制对材料韧性断裂行为的影响,明确了准则中各参数的物理意义。利用此韧性断裂准则构建了AA 2024-T351铝合金和AISI 1045碳钢的等效断裂应变包络面,并将相应应力状态下的断裂应变预测值与此前学者们的试验结果进行了对比,验证了所提出的新准则的有效性。最后,将预测结果与广泛使用的DF2016准则、 Hu准则和穆磊准则的预测结果进行比较,结果表明,相较于其他3种模型,提出的新准则的平均预测误差与最大预测误差最小,预测精度最高,孔洞颈缩合并机制在延性金属断裂过程中发挥了重要作用,应当充分考虑。

基于Gurson模型的有限元冲击仿真

以ANSYS LS-DYNA显示动力学有限元软件为研究手段,分析基于Gurson模型的铝棒在冲击加载下的变形及内部孔洞演化。结果表明,材料遭受动态载荷后会发生明显变形,在应力波加载过程中,材料并不是完全的拉伸变形,而是先承受压缩后经历拉伸过程。