晶体相场法研究应力状态及晶体取向对微裂纹尖端扩展行为的影响

采用晶体相场模拟研究了单向拉伸作用下初始应力状态、晶体取向角度对单晶材料内部微裂纹尖端扩展行为的影响, 以(111)晶面上的预制中心裂纹为研究对象探讨了微裂纹尖端扩展行为的纳观机理, 结果表明: 微裂纹的扩展行为主要发生在<011>(111)滑移系上, 扩展行为与扩展方向与材料所处的初始应力状态及晶体取向紧密相关. 预拉伸应力状态将首先诱发微裂纹尖端生成滑移位错, 进而导致晶面解理而实现微裂纹尖端沿[011]晶向扩展, 扩展到一定程度后由于位错塞积, 应力集中, 使裂纹扩展方向沿另一滑移方向[101], 并形成锯齿形边缘; 预剪切应力状态下, 微裂纹尖端首先在[101]晶向解理扩展, 并诱发位错产生, 形成空洞聚集型长大的二次裂纹, 形成了明显的剪切带; 预偏变形状态下微裂纹尖端则直接以晶面解理形式[101]在上进行扩展, 直至断裂失效; 微裂纹尖端扩展行为随晶体取向不同而不同, 较小的取向角度会在裂纹尖端形成滑移位错, 诱发空位而形成二次裂纹, 而较大的取向角下的裂纹尖端则以直接解理扩展为主, 扩展方向与拉伸方向几近垂直.     

晶体相场法模拟微裂纹的扩展行为

用晶体相场模型模拟预变形条件下的单轴拉伸的裂纹扩展行为.展示出裂纹扩展过程的演化图。从裂纹演化图可以清楚的观察到,随着应变量的增加,裂纹长度增加,裂纹呈钝化-扩展-钝化的扩展模式,裂纹形状为锯齿形:随着预变形量的增加,解理方式的裂纹扩展减弱,转变成锯齿形状的裂纹扩展方式。     

韧性材料的微裂纹扩展与分叉的晶体相场模拟

采用晶体相场方法研究韧性单晶材料在双轴拉伸条件下微裂纹扩展与分叉的演化过程,分析应变、温度、初始裂口形状等因素对裂纹扩展和分叉的影响.结果表明:对于简单的单向拉伸,应变需要达到一定的临界值,裂纹扩展才会启动.对于二组相互垂直的双轴拉伸作用,当应变达到临界值后,裂纹扩展过程中会发生分叉现象.温度越高,裂纹扩展越快且分叉越多.裂纹在扩展过程中,体系能量不断降低,当裂纹出现分叉时,体系能量降低得更快.在裂纹扩展过程中,有时是会在裂尖处前方出现微小的空洞,类似在裂纹尖端前方出现位错发射情况,这些微小的空洞逐渐扩大连成裂纹.本文所得结果与相关模拟结果和实验结果符合.     

α-Fe裂纹的分子动力学研究

通过分子动力学方法，模拟了α-Fe裂纹的单轴拉伸实验中的形变过程.研究了不同晶体取向裂纹的形变特点和断裂机理，观察到各种形变现象，如位错形核和发射，位错运动，堆垛层错或孪晶的形成，纳米空洞的形成与连接等.计算结果表明，裂纹扩展是塑性过程和弹性过程相结合的过程，其中塑性过程表现为由裂尖发射的位错导致的原子切变行为，而弹性过程的发生则是由无位错区中的原子断键所导致.同时还研究了α-Fe裂纹的形变特点和断裂机理与温度场和应力场的依赖关系.     

高温应变下的晶界湮没机理的晶体相场法研究

应用晶体相场方法研究高温应变下的预熔化晶界位错湮没机理. 结果表明, 原预熔化晶界上的位错在应变作用下发生分离运动, 形成新晶界, 即亚晶界. 该过程的实质是生成了亚晶粒; 亚晶界的迁移过程的本质是亚晶粒长大、吞噬旧晶粒的过程; 亚晶界之间的湮没是亚晶粒完全吞噬旧晶粒过程的结束, 体系转变成为单个晶粒结构. 根据原子密度序参数沿x和y方向的投影值随应变量的变化特征, 可以揭示出高温应变作用下, 预熔化亚晶界相遇湮没的本质是两对极性相反的偶极子位错对发生二次湮没, 该湮没的微观过程是通过位错连续二次滑移湮没而实现的, 其湮没的速率较低温时的湮没速率要小许多.     

温度对位错滑移运动影响的晶体相场模拟

在原有的晶体相场模型的自由能密度函数基础上,引入外力场与体系原子密度场耦合作用项,能够对样品施加剪切应变作用,实现位错的滑移运动。研究不同温度情况下的位错滑移特性。研究发现,位错的启动,存在一个临界温度,当温度高于临界温度时,外加一定的应变率才能启动位错运动。较低的体系温度有利于刃型位错的滑移。随着体系温度升高,刃型位错水平滑移速度变慢,而垂直方向的攀移运动明显增加。在高温情况下攀移已成为位错运动的主要形式。     

单晶钨纳米线拉伸变形机理的分子动力学研究

利用分子动力学方法, 对本课题组率先采用金属催化的气相合成法制备出的高纯度单晶钨纳米线进行拉伸变形数值模拟, 通过分析拉伸应力-应变全曲线及其微观变形结构, 揭示出单晶钨纳米线的拉伸变形特征及微观破坏机理. 结果表明: 单晶钨纳米线的应力-应变全曲线可分为弹性阶段、损伤阶段、相变阶段、强化阶段、 破坏阶段等五个阶段, 其中相变是单晶钨纳米线材料强化的重要原因; 首次应力突降是由于局部原子产生了位错、孪生等不可逆变化所致; 第二次应力突降是发生相变的材料得到强化后, 当局部原子再次产生位错导致原子晶格结构彻底破坏而形成裂口、且裂口不断发展成颈缩区时, 材料最终失去承载能力而断裂. 计算模拟得到的单晶钨纳米线弹性模量值与实测值符合较好. 关键词： 分子动力学 应力应变曲线 微观机理 单晶钨纳米线     

体心立方Fe中<100>位错环对微裂纹扩展影响的分子动力学研究

在辐照环境下,载能粒子与材料相互作用导致材料中原子移位,造成辐照损伤.其中,由辐照形成的过饱和自间隙原子团簇形成的间隙型位错环,是体心立方Fe为基的材料中常见的辐照缺陷之一,其与材料中其他缺陷之间相互作用,是导致辐照硬化、脆化、肿胀及蠕变等辐照损伤的原因之一.除此相互作用外,在材料表面或内部沿晶界、沉积相、惰性气体形成的气泡所导致的微裂纹,是诱发辐照促进应力腐蚀开裂的重要原因.因此,理解辐照条件下间隙型位错环与微裂纹之间的相互作用,是理解辐照促进应力腐蚀开裂微观机制的重要一步.在本研究中,利用分子动力学方法,模拟了原子尺度微裂纹与间隙型位错环之间的相互作用,研究了位错环与微裂纹之间的距离、相对位置及位错环尺寸对二者相互作用的影响,揭示了位错环对微裂纹是否沿滑移面扩展的影响,发现当二者的相互作用起主导作用时(如在临界水平或垂直距离之内),形成的以100为主或高密度的1/2111位错网络可以抑制微裂纹沿滑移面的扩展.当位错环尺寸发生变化时,只有当位错环位错核与微裂纹尖端相互作用时,才能抑制微裂纹沿滑移面的扩展.这些结果为进一步理解辐照应力开裂提供了新的参考.     

极低温下Nb3Sn超导体单晶裂纹动态扩展模拟

研究Nb₃Sn超导体的损伤断裂行为对于揭示超导临界性能弱化背后的力学机制具有重要的意义。采用分子动力学模拟方法,研究了极低温下不含裂纹和含中心裂纹的Nb₃Sn单晶在力学拉伸变形作用下的断裂机制和裂纹扩展行为,同时分析了应变率效应对Nb₃Sn单晶断裂机制与裂纹扩展行为的影响。结果表明：不含裂纹的Nb₃Sn单晶在结构受力后出现滑移,滑移带上位错塞积导致应力集中,应力集中使原子键断裂从而萌生裂纹致使Nb₃Sn单晶断裂;而含中心裂纹的Nb₃Sn单晶则由于裂纹尖端应力集中使得原子键断裂形成微裂纹,裂纹扩展致使Nb₃Sn单晶断裂。Nb₃Sn单晶在不同的应变率下表现出不同的断裂机制,在低应变率下表现为脆性断裂,而在高应变率下表现为韧性断裂。     

单晶Cu(001)薄膜塑性变形的分子动力学模拟

使用分子动力学方法,模拟研究了单晶Cu(001)薄膜在双向等轴拉伸应变下的塑性变形行为.当应变超过一定值时,样品通过产生位错、层错及孪晶而发生塑性变形.当应变相对较低时,不全位错首先在薄膜表面形核并在密排面上滑移,留下堆积层错;当应变增加时,位错在表面与内部同时成核生长,层错数量也随之增加.分析了相邻滑移面上的位错之间相互作用形成孪晶的微观过程.材料内部形成大量堆积层错及孪晶后,较大孪晶的密排面上的原子也会发生滑移,形成孪晶内部的层错结构以释放残余应力.     

Effect of amorphous lamella on the crack propagation behavior of crystalline Mg/amorphous Mg–Al nanocomposites

The effects of amorphous lamella on the crack propagation behavior in crystalline/amorphous(C/A) Mg/Mg–Al nanocomposites under tensile loading are investigated using the molecular dynamics simulation method. The sample with an initial crack of orientation(1210) [0001] is considered here. For the nano-monocrystal Mg, the crack growth exhibits brittle cleavage. However, for the C/A Mg/Mg–Al nanocomposites, the ‘double hump' behavior can be observed in all the stress–strain curves regardless of the amorphous lamella thickness. The results indicate that the amorphous lamella plays a critical role in the crack deformation, and it can effectively resist the crack propagation. The above mentioned crack deformation behaviors are also disclosed and analyzed in the present work. The results here provide a strategy for designing the high-performance hexagonal-close-packed metal and alloy materials.     

Analysis of crack propagation data for a strain ageing and a stabilized mild steel tested under R=0 and R=−1 loading conditions

Comparative studies of crack propagation in a strain ageing and a stabilized mild steel were carried out under axial loadings of the R = 0 and R = ?1 types. The results show the rate of fatigue crack propagation is dependent on both the tensile and the compressive stresses in the fatigue cycles, the compression stresses being less effective than the equivalent tensile stresses in causing crack growth. An equation is presented relating the rate of fatigue crack growth to a stress intensity range which is factored to allow for the variations in fatigue damage associated with the tensile and compressive parts of the stress cycle.     

力学性能对Bi-2223/Ag超导带材临界电流影响实验研究

本文主要研究了在77K温度下,拉伸应变和弯曲应变对Bi-2223/Ag超导带材临界电流的影响,得到了超导带材的临界电流随拉伸强度、曲率半径变化规律.实验结果显明,拉伸作用在超导带材上产生的形变对其临界电流(Ic)的影响存在一个临界值εirr=0.3%.形变小于此临界值,Ic变化较小,超过此临界值,临界电流急剧下降.弯曲实验同样存在类似关系.同步辐射光源对超导带材检测表明,在形变情况下,超导氧化物陶瓷芯的微裂纹迅速增加和交织是Ic降低的主要原因.     

Multiaxial Fatigue Crack Orientation and Early Growth Investigation Considering the Nonproportional Loading

The paper presents a comprehensive investigation of fatigue cracking behaviors under various nonproportional multiaxial cycle loading paths based on the critical plane approach. The maximum normal and shear stress/strain fields are presented to analyze the crack orientation and early growth directions in polar diagrams. The experimental observed crack paths and directions were compared with maximum strain loci of each angle to determine multiaxial fatigue failure mode. The results show that crack orientation and growth paths appear in the maximum shear and normal strain plane, respectively. Likelihood cracking regions of various loading paths are predicted according the determined failure mode. Besides, nonproportionality factor is introduced to characterize the degree of multiaxiality on these loading paths.     

PBX炸药动态Brazilian试验及数值模拟研究

 开展了PBX炸药的动态Brazilian试验,获得了不同加载应变率条件下的拉伸强度;通过高速摄影,获得了PBX炸药试样表面裂纹的产生发展过程;采用数字散斑相关方法,获得了试样出现裂纹前的应变场分布。利用离散元方法,开展了考虑PBX炸药细观结构的动态Brazilian数值模拟,获得了损伤演化发展、并形成裂纹的全过程,模拟结果能初步再现PBX炸药的损伤破坏过程。     

High-speed camera study of Stage III crack propagation in chemically strengthened glass

Thermally or chemically strengthened glass is more resistant to damage and breakage compared to non-strengthened glass. Both strengthening mechanisms are based on incorporation of a compressive stress profile in the surface of the glass, which must be balanced by an equivalent amount of integrated tensile stress in the interior of the glass. This tensile stress is believed to affect the kinetics of Stage III crack propagation upon fracture of the sample. In this study, we use a high-speed camera to perform direct measurement of the kinetics of Stage III fracture in a strengthened glass sample. Data including crack propagation speed, crack bifurcation distance, and bifurcation angles are collected at a rate of 500,000 frames per second and then characterized. The authors believe that these data will provide a foundation for understanding the physics of Stage III fracture in strengthened glass samples.     

Anisotropic Migration of Defects under Strain Effect in BCC Iron

The basic properties of defects(self-interstitial and vacancy) in BCC iron under uniaxial tensile strain are investigated with atomic simulation methods. The formation and migration energies of them show different dependences on the directions of uniaxial tensile strain in two different computation boxes. In box-1, the uniaxial tensile strain along the100direction influences the formation and migration energies of the110dumbbell but slightly affects the migration energy of a single vacancy. In box-2, the uniaxial tensile strain along the 111 direction influences the formation and migration energies of both vacancy and interstitials. Especially, a 110 dumbbell has a lower migration energy when its migration direction is the same or close to the strain direction, while along these directions, a vacancy has a higher migration energy. All these results indicate that the uniaxial tensile strain can result in the anisotropic formation and migration energies of simple defects in materials.