铁中Ⅰ型裂纹裂尖场与裂尖形变机制分析

论文摘要

金属材料的强度与裂纹扩展行为密切相关。裂纹扩展过程中裂纹尖端存在着应力、应变集中,这使得裂纹尖端的局部应力、应变大于材料中其它区域的应力和应变。因此,在裂纹扩展的过程中,其尖端将会发生微结构演化。相关实验和原子尺度模拟的结果表明：裂纹扩展过程中裂尖微结构演化有多种形式,包括位错发射、孪晶形成以及裂尖相变等。而且这些微结构演化行为又与裂尖场的分布密切相关,可能对控制裂纹的扩展起到决定性作用。本文应用有限元方法计算了平面应变条件下体心立方铁中不同取向裂纹的裂尖弹性应力场和弹性应变能密度分布。三种不同取向的裂纹将体心立方铁的刚度矩阵转化为不同形式,导致裂尖应力场和弹性应变能密度分布不同。由此出发,从宏微观相结合角度分析了裂尖场分布与裂尖微结构演化的相互关联。研究表明：裂尖微结构演化与裂尖弹性应变能密度分布密切相关。裂尖应力集中所导致的局部弹性应变能密度增高可以由裂尖塑性变形所释放。同时,应用连续介质力学及有限元的方法验证了裂尖塑性变形的具体形式与体心立方铁晶体结构中滑移面上的分切应力大小密切相关。分切应力大则易发生相变,分切应力较小易发生孪晶或位错。并分别比较了弹性应力场和HRR裂尖应力场与有限元模拟结果,结合分子动力学模拟结果尝试探讨了裂尖应力场的奇异性区域。此外,运用弹塑性状态下{110}<110>Ⅰ型裂纹的有限元分析,从裂纹系统整体能量变化以及裂尖应力场两个角度分析裂尖塑性变形与裂纹扩展行为的关系。研究发现,相对于单纯的裂纹扩展,裂尖塑性变形的存在更有助于降低裂纹系统整体的弹性应变能总量。在较大载荷或较快加载速率条件下,裂尖附近区域弹性应变能密度增高为马氏体相变提供了必需的驱动力。同时本文也考察了此类裂纹滑移面上分切应力随载荷的变化,指出距裂尖一定距离的滑移面上分切应力平台对应着裂尖相变产生的区域。并验证了非局部弹塑性连续体模型所确定的裂纹尖端附近应力分布,结果显示此类型裂纹裂尖应力最大值发生在距裂尖约1纳米处。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 断裂力学发展现状
• 1.2.1 裂纹尖端奇异场与断裂参数
• 1.2.2 断裂判据
• 1.2.3 断裂过程区
• 1.2.4 细观力学与纳观力学
• 1.2.5 计及损伤的断裂理论
• 1.2.6 裂尖区的离散塑性理论
• 1.3 裂尖塑性变形形式
• 1.3.1 位错发射
• 1.3.2 孪晶
• 1.3.3 相变
• 1.4 本文研究目的和研究内容
• 第二章 各向异性材料裂尖场
• 2.1 晶体的各向异性
• 2.2 各向异性弹性材料裂纹尖端场
• 2.2.1 最大周向拉应力理论
• 2.2.2 最小应变能密度理论
• 2.3 各向异性材料的塑性理论
• 2.4 裂纹尖端附近应力分布
• 2.5 马氏体形核动力学
• 2.6 滑移系统与晶体塑性变形
• 2.7 本章小结
• 第三章 铁中Ⅰ型裂纹裂尖弹性场的有限元模拟
• 3.1 有限元模型的建立
• 3.2 裂尖弹性场计算结果
• 3.2.1 弹性应变能密度分布
• 3.2.2 Mises应力分布
• 3.2.3 滑移面分切应力曲线
• 3.3 裂尖场计算结果的分析
• 3.3.1 裂尖塑性变形的原子模拟结果
• 3.3.2 应变能密度与裂尖塑性变形
• 3.3.3 滑移面分切应力与塑性变形形式
• 3.4 本章小结
• 第四章 裂尖塑性变形机制分析
• 4.1 塑性变形的引进
• 4.2 滑移面上应力分布随载荷的变化
• 4.3 开裂与裂尖塑性变形
• 4.4 裂尖应力最大值
• 4.5 裂尖场奇异性区域试推断
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论
• 5.1 工作总结
• 5.2 进一步工作展望
• 参考文献
• 学位论文数据集