随机晶界分布对铝多晶材料晶间破坏行为的影响

采用二维随机有限元方法研究了准静态拉伸载荷下细观随机不均匀的粗晶粒铝多晶试件晶间破坏的力学行为．探讨了随机晶界的数量和分布对材料断裂性能的影响。     

考虑两种晶界的各向异性双晶和三晶体晶界附近弹塑性应力场分析

采用率相关的晶体滑移有限元程序对具有不同晶体取向的双晶体晶界附近及三晶体三晶粒交汇处的弹塑性应力场进行了计算,考虑了几何晶界和物理晶界的影响.计算结果表明:双晶体及三晶体考虑几何晶界和物理晶界时,这两种晶界具有相同的应力分布趋势,只是物理晶界比几何晶界的应力集中程度小,双晶体晶界附近有较大的应力梯度,存在应力集中现象.三晶体三晶粒交汇处可能是应力集中之地也可能不造成应力集中,这主要取决于晶粒晶体取向及加载方向.由此可见,要准确理解金属材料的断裂过程,还需要从细观的角度对晶界的力学响应进行细致和深入的研究.     

含氢原子缺陷晶界的剪切行为

针对4个α-Fe对称倾斜晶界,采用分子静力学考察了4个晶界中H原子偏析能的分布特征,并采用分子动力学方法研究了晶界内植入不同数量H原子对其在室温条件下剪切行为的影响.H原子通过随机方式植入界面内,利用植入H原子数量与晶界面积的比值来定义H原子面密度ρ.在含H原子晶界剪切行为分析过程中,重点考察了在不同H原子密度ρ下,4个晶界的初始塑性临界应力和晶界迁移位移的变化趋势以及4个晶界在加载过程中的微观变形机理.研究表明:晶界内的H原子偏析能明显偏低,4个晶界附近的H原子会自发向晶界内偏析;随着植入H原子数量的逐渐增多,晶界的初始塑性临界应力和后续变形阶段应力均会降低.晶界内植入H原子会从本质上改变晶界的微观变形机理,进而影响晶界在外载荷条件下的迁移属性.与不含H原子晶界的变形机理对比发现,加载过程中晶界的微结构会发生剧烈的演化,H原子的扩散和团簇化效应会导致晶界内出现纳米孔缺陷.     

晶界结构及其对力学性质的影响(Ⅰ)

许多实验结果表明晶界对多晶材料的力学性能产生很大影响.本文简要总结了研究晶界结构及其对多晶材料力学性能的影响方面的理论和实验工作.第一部分介绍了描述晶界结构的各种模型,包括小角晶界位错模型,大角晶界重合点阵模型、O点阵模型和位移移动重位点阵理论,还讨论了晶界原子和电子结构,以及晶界结合力和晶界能.第二部分总结了晶界结构对力学性能的影响,包括强度,断裂韧度,蠕变,疲劳,沿晶断裂(应力腐蚀开裂,氢脆,液态金属腐蚀等).文中还介绍了最近发展起来的利用控制晶界结构改进多晶材料力学性能方面的新成果,晶界设计和毫微晶材料.      

镍基双晶体晶界断裂特性研究

对单晶体以及晶界平行晶粒裂纹和晶界垂直晶粒裂纹的双晶体的断韧性进行了实验研究,设计了三种三点弯曲试件,得到了单晶体和晶界的断裂韧性值,在晶界垂直晶粒裂纹的双晶体试验中,揭示了晶界对晶粒断裂的屏蔽效应;当裂纹距晶界某一特定长度时,断裂韧性值最大,理论分析和晶体滑移有限元数值分析揭示了这种屏蔽效应的机理,双晶晶界处的变表相容性导致了理解纹尖端应国和场的重新分布,并由此产生了晶界屏蔽效应。     

含与不含晶界空穴的双晶体蠕变行为研究

基于晶体滑移理论,建立了各向异性镍基合金双晶体的蠕变本构模型和蠕变寿命预测模型,通过MARC用户子程序CRPLAW将上述本构模型进行了有限元实现,并对双晶体蠕变行为进行了计算分析,考虑了:(1)晶体取向的影响;(2)垂直、倾斜和平行于外载方向的三种位向晶界情况;(3)晶界处引进空间空穴的影响。结果表明,双晶体上特别是微空穴和晶界附近区域的蠕变应力应变呈现不同的变化规律,对此晶粒晶体取向和晶界位向有较大的影响;微空穴的存在削弱了双晶体的承载能力,显著地影响了双晶体蠕变持久寿命;相同条件下,垂直晶界对双晶体模型的蠕变损伤影响最为强烈,倾斜晶界次之,平行晶界最小;微空穴的生长与晶界位向和晶体取向有强烈的依赖关系,其中垂直晶界更有利于晶体滑移和微空穴生长。     

铜双晶体的循环应力-应变响应

比较了铜单晶体和多晶体疲劳行为的异同,提出了研究双晶体疲劳行为的必要性．总结了具有不同晶体取向和晶界的铜双晶体的疲劳行为的最新进展．利用平行晶界铜双晶体的取向因子和晶界影响区,总结了在循环载荷作用下的晶界强化模型．分析了垂直晶界铜双晶体循环塑性变形行为的特点,讨论了组元晶体取向对垂直晶界铜双晶体循环应力－应变曲线的影响．提出了提高单晶体和双晶体疲劳强度的控制因素．     

双晶铝晶界驰豫起始温度的滞弹性测量

测量了夹角分别为１０°和５０．５°的［１１０］对称倾侧铝双晶晶界的扭转滞弹性蠕变曲线，得到了晶界的弛豫强度约在０．４２Ｔ＿ｍ温度时变为零（Ｔ＿ｍ为铝的熔点温度），进一步肯定了晶界的内部结构在这个温度的附近发生了显著的变化。同时，采用“晶界附近位错亚结构连续分布与晶界原子的交互工作用模型”，对双晶晶界的驰豫机制做了合理地解释。     

考虑晶界效应的多晶体有限变形分析

将晶界及其影响区综合考虑，建立了考虑晶界效应的力学模型，结合晶体塑性理论，利用有限变形有限元对多晶体进行数值模拟，数值结果显示了细观层次下晶粒变形场的特点，理论计算同实验定性一致。     

用分子动力学方法模拟零温下铜及其掺银或铋的晶界结构

本文采用五参数对势和固定体积的假定,应用分子动力学方法模拟了零温下纯Cu、Cu-Ag和Cu-Bi合金的晶界弛豫结构,计算结果表明,在上述情况下,原子分布在平行晶界面的两个方向是周期性的,在垂直晶界面的方向是镜面对称的。两种合金弛豫结构与纯铜的结构差别不大,铋原子周围的铜原子离铋原子较近,而银原子周围的铜原子离银原子较远。     

晶界结构及其对力学性质的影响(Ⅱ)

<正> 3 晶界结构对力学性质的影响 晶界是固体材料中的一种面缺陷.由于晶界和位错以及其他缺陷和杂质之间的相互作用      

AN ANALYSIS OF THE EFFECTS OF SYMMETRICAL TILT GRAIN BOUNDARIES ON THE PLASTIC DEFORMATION

A numerical investigation on the simple polycrystals containing threesymmetrical tilt grain boundaries(GBs)is carried out within the framework of crystalplasticity which precisely considers the finite deformation and finite lattice rotation aswell as elastic anisotropy.The calculated results show that the slip geometry and theredistribution of stresses arising from the anisotropy and boundary constraint play animportant role in the plastic deformation in the simple polycrystals.The stress levelalong GB is sensitive to the load level and misorientation,and the stresses along GB aredistributed nonuniformly.The GB may exhibit a softening or strengthening feature,which depends on the misorientation angle.The localized deformation bands usuallydevelop accompanying the GB plastic deformation,the impingement of the localizedband on the GB may result in another localized deformation band.The yield stresseswith different misorientation angles are favorably compared with the experimentalresults.     

竹节晶界内耗峰的发现及其机理的研究

80年代以来,我们在含有竹节晶界的高纯铝试样里发现了一个坐落在温度低于细晶粒间界内耗峰(葛峰)峰温处的内耗峰。关于这个内耗峰的来源问题引起了国内外一些学者的争论,有人认为这个峰可能就是向低温移动了的葛峰,而不是一个新的内耗峰。 我们对于这个内耗峰作了系统深入研究,发现它的表现与葛峰截然不同。例如,葛峰的高度不随晶粒尺寸而变,而竹节峰的高度则与试样中所含的竹节晶界的数目成正比。另外,葛峰随着退火温度的提高而向高温移动,而竹节峰则向低温移动。对试样进行的透射电子显微镜观察表明,在竹节晶界附近有位错亚结构出现。因此我们认为,在晶界进行粘滞滑动时,出现在竹节晶界附近并与之相交的位错亚结构被晶界所拖曳,从而限制了晶界的粘滞滑动,从而引起内耗峰。 根据上述观点,我们采用了一个4参数力学模型来描述竹节晶界内耗峰的弛豫行为。根据这个模型推导出来的内耗峰和模量弛豫的表达式,以及内耗峰和模量弛豫出现的实验条件,都与实验结果相符。 总结我们从一系列条件试验所得到的启示,我们采用了片状试样作实验,终于得出了竹节晶界峰与葛峰同时出现的结果,这就确切地指明了竹节晶界峰是一个与葛峰不同的新的内耗峰。      

CRACK PROPAGATION IN POLYCRYSTALLINE ELASTIC-VISCOPLASTIC MATERIALS USING COHESIVE ZONE MODELS

Cohesive zone model was used to simulate two-dimensional plane strain crack propagation at the grain level model including grain boundary zones. Simulated results show that the original crack-tip may not be separated firstly in an elastic-viscoplastic polycrystals. The grain interior's material properties (e.g. strain rate sensitivity) characterize the competitions between plastic and cohesive energy dissipation mechanisms. The higher the strain rate sensitivity is, the larger amount of the external work is transformed into plastic dissipation energy than into cohesive energy, which delays the cohesive zone rupturing. With the strain rate sensitivity decreased, the material property tends to approach the elastic-plastic responses. In this case, the plastic dissipation energy decreases and the cohesive dissipation energy increases which accelerates the cohesive zones debonding. Increasing the cohesive strength or the critical separation displacement will reduce the stress triaxiality at grain interiors and grain boundaries. Enhancing the cohesive zones ductility can improve the matrix materials resistance to void damage.     

单晶与纳米多晶锡层裂的分子动力学研究

低熔点金属的层裂是目前延性金属动态断裂的基础科学问题之一。采用非平衡态分子动力学方法模拟了冲击压力在13.5～61.0 GPa下单晶和纳米多晶锡的经典层裂和微层裂过程。研究结果表明：在加载阶段,冲击速度不影响单晶模型中的波形演化规律,但影响纳米多晶模型中的波形演化规律,其中经典层裂中晶界滑移是影响应力波前沿宽度的重要因素;在单晶模型中,经典层裂和微层裂中孔洞成核位置位于高势能处;在纳米多晶模型中,经典层裂中的孔洞多在晶界（含三晶界交界处）处成核,并沿晶定向长大,产生沿晶断裂,而微层裂中孔洞在晶界和晶粒内部成核,导致沿晶断裂、晶内断裂和穿晶断裂;孔洞体积分数呈现指数增长,相同冲击速度下单晶和纳米多晶Sn孔洞体积分数变化规律一致;经典层裂中孔洞体积分数曲线的两个转折点分别表示孔洞成核与长大的过渡和材料从损伤到断裂的灾变性转变。     

表面能对纳米颗粒的晶格收缩和固有频率的影响

由于纳米颗粒具有很大的比表面积，因此，表面能对它的力学性能有着不可忽略的影响．本文给出了由表面能所导致的纳米颗粒晶格收缩效应的解析结果，与试验观察定量上相当一致；计算了表面能对纳米颗粒固有频率的影响，预测了由于表面能的影响，纳米颗粒出现的“振动软化”现象．     

Continuum framework for dislocation structure,energy and dynamics of dislocation arrays and low angle grain boundaries

We present a continuum framework for dislocation structure, energy and dynamics of dislocation arrays and low angle grain boundaries that are allowed to be nonplanar or nonequilibrium. In our continuum framework, we define a dislocation density potential function on the dislocation array surface or grain boundary to describe the orientation dependent continuous distribution of dislocations in a very simple and accurate way. The continuum formulations incorporate both the long-range dislocation interaction and the local dislocation line energy, and are derived from the discrete dislocation model. The continuum framework recovers the classical Read–Shockley energy formula when the long-range elastic fields of the low angle grain boundaries are canceled out. Applications of our continuum framework in this paper are focused on dislocation structures on static planar and nonplanar low angle grain boundaries and misfitting interfaces. We present two methods under our continuum framework for this purpose, including the method based on the Frank׳s formula and the energy minimization method. We show that for any (planar or nonplanar) low angle grain boundary, the Frank׳s formula holds if and only if the long-range stress field in the continuum model is canceled out, and it does not necessarily hold for a total energy minimum dislocation structure.     

纳晶金属的力学行为

纳晶金属特指晶粒尺寸在($1 \sim100)$\,nm块体金属材料,其在力、热、声、电、磁等方面有着潜在应用,对它的制备、表征和模拟是材料科学及相关领域的重要前沿.由于纳晶金属结构简单,影响性能的因素相对单一,因而对结构与性能之间关系的理论研究具有深刻的意义.纳晶金属三维细观拓扑结构与常规多晶体类似,但由于晶粒尺寸减小,晶界原子体积比增加,因此呈现出与粗晶金属不同的性质,并且当微观物理过程的特征尺度大于晶粒尺寸时,与其对应的性质也将受到晶粒或者晶界的调制作用.本文从制备、力学性能和塑性变形机制3个方面介绍了纳晶金属力学的部分最新进展,并讨论了结构特征与力学性能之间的关系.      

超塑性变形晶界效应研究综述

自1934年超塑性现象被发现, 一直以其特殊的塑性变形机制而备受关注.本文以对超塑性变形晶界研究为主线, 从力学角度总结了近年来研究成果. 包括: 基于晶界拓扑构造、统计规律以及能量耗散的力学模型; 论述了由孔洞损伤导致的超塑性沿晶破坏、晶界结构演化与宏观率敏感性之间的关系; 列举了考虑晶界效应的典型超塑性数值模型; 总结并讨论了晶界滑移定量表征的重要实验手段, 指出超塑性研究中需进一步拓展的领域: 多尺度耦合的超塑性力学、材料制备及组合工艺中利用超塑性.