PFC方法研究纳米级裂纹的萌生与扩展

论文摘要

晶体相场（PFC）方法通过描述晶体材料的微观结构的拓扑来扩展相场模型的概念。其相对于传统相场（TPF）方法与分子动力学（MD）方法模拟材料演化过程而言,在特征时间尺度与扩散空间尺度上更具有优势。相对于不少已知的计算模拟研究,纳米级裂纹形核的机理问题仍然解析得不够清晰与细致。因此,本文采用PFC方法模拟不同的取向角与温度的样品在单轴拉应变作用下的纳米级微裂纹形核与扩展行为。并且针对PFC方法在特征时间尺度上做了改进,也对PFC方法研究脆性微裂纹形核与扩展问题进行了修正。结果表明:1.不同的晶向取角对裂纹萌生和扩展模式具有显著的影响。在5°与20°晶向取角的样品中,由于裂尖位错的应变集中,缺口直接开裂,裂纹主要呈脆性扩展模式,裂纹边缘呈现光滑平面特征;而对10°与15°晶向取角的样品,裂口处先发射位错,位错滑移形成空位,空位长大形成裂纹,呈韧性扩展模式,裂纹边缘呈不光滑特征。2.不同的温度对脆性解理裂纹萌生模式和扩展速度有明显的影响。随着温度从-1.0升高到-0.7,脆性解理裂纹的形核模式逐渐变化,缺口位置不再直接形成裂纹,而是在缺口处先形成台阶后再产生裂纹;随着温度的升高,脆性的解理裂纹在达到相同的扩展长度时会花费更少的时间。3.改进的晶体相场（MPFC）方法相对于晶体相场（PFC）方法而言,更能够有效地响应材料快速应变松弛效应。并且,MPFC方法不仅能有效反映材料微观演化与能量变化特征,还对材料的脆性解理裂纹的萌生与扩展行为的响应更加敏感,大大减少了研究所需耗时。本研究用晶体相场（PFC）方法研究微裂纹萌生与扩展行为,清晰地揭示了裂纹形核与扩展的微观机理。其研究结果与相类理论和实验结果相符。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究目的与意义
•   1.2 材料微观结构数值计算模拟方法
•     1.2.1 传统相场方法
•     1.2.2 分子动力学方法
•     1.2.3 晶体相场方法
•     1.2.4 改进的晶体相场方法
•   1.3 国内外纳观尺度的裂纹研究现状
•     1.3.1 国内外纳观尺度的裂纹理论研究现状
•     1.3.2 国内外纳观尺度的裂纹实验研究现状
•   1.4 本章小结
• 第二章 晶体相场模型与改进的晶体相场模型
•   2.1 引言
•   2.2 晶体相场（PFC）模型
•     2.2.1 系统自由能和动力学方程
•     2.2.2 单模近似下的相图
•     2.2.3 数值求解方法
•   2.3 改进的晶体相场（MPFC）模型
•     2.3.1 理论模型
•     2.3.2 数值计算方法
•   2.4 其它模型
•     2.4.1 应变施加
•     2.4.2 应变场与位移场
•     2.4.3 应变与应力
• 第三章 PFC方法研究晶向取角对裂纹萌生与扩展的影响
•   3.1 引言
•   3.2 样品设计
•   3.3 裂纹萌生与扩展
•     3.3.1 样品A、D的裂纹萌生扩展
•     3.3.2 样品B、C的裂纹萌生扩展
•   3.4 分析与讨论
•     3.4.1 应变分布
•     3.4.2 体系自由能和应力随时间的变化
•     3.4.3 位错组态与裂纹扩展模式
•   3.5 本章小结
• 第四章 改进的PFC方法研究不同温度对裂纹萌生与扩展的影响
•   4.1 引言
•   4.2 样品设计
•   4.3 裂纹萌生与扩展
•     4.3.1 样品A、a的裂纹萌生与扩展
•     4.3.2 样品B、b的裂纹萌生与扩展
•     4.3.3 样品C、c的裂纹萌生与扩展
•   4.4 分析与讨论
•     4.4.1 系统自由能
•     4.4.2 应力随时间的变化
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 卢昱江

导师: 高英俊

关键词: 方法,微裂纹,裂纹形核,萌生与扩展模式

来源: 广西大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 力学,化学

单位: 广西大学

分类号: O346.1;O73

总页数: 57

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