納米復合材料中廣義位錯與微結構交互作用機理研究.pdf

1、近幾十年來，納米科技快速發(fā)展，微電力系統(tǒng)和納米智能設備廣泛應用，納米結構復合材料正日益成為力學、材料科學和固體物理方面交叉研究和開發(fā)的重點。大量研究表明，納米尺度材料的力學性能和微結構演變強烈依賴其維度和尺寸。因為高的表/界面體積比導致表/界面效應對材料性能影響很大。因此，研究表/界面效應對各種位錯、向錯與納米夾雜、裂紋、空位等顯微結構相互作用的影響有助于解釋納米結構材料一系列尺寸相關的物理和力學性能，包括廣義位錯的強韌化機理等；也有助

2、于說明這些研究的科學意義和應用價值。
　　本文以納米結構復合材料為研究對象，較為系統(tǒng)地研究了刃型位錯、向錯與納米尺度裂紋、夾雜、空位等各類納米顯微結構的相互作用機理及其與材料強韌化和斷裂破壞的關聯。基于實際工程應用，建立了各類相應力學模型，發(fā)展了求解復雜多相多連通域混合邊值問題以及尺度相關表/界面平面問題的分析方法，并將該方法成功應用于求解和分析系列復雜顯微結構問題的干涉應力場、位移場、位錯像力、向錯的材料力、位錯和向錯的平衡位置

3、和穩(wěn)定性以及對裂紋的屏蔽效應、裂紋尖端應力強度因子及其發(fā)射位錯的臨界條件等宏、細及微觀物理量及現象。主要研究成果如下：
　　1.獲得了刃型位錯在納米結構復合材料中（包括含納米涂層、納米介孔及納米線等）的彈性干涉力及其形核臨界條件，利用彈性復勢方法獲得了所求問題的封閉形式解答，揭示了材料彈性錯配、涂層或納米膜厚度、表/界面效應以及位錯相對位置等對刃型位錯形核、運動和穩(wěn)定性的影響規(guī)律。結果表明，納米膜越薄，納米夾雜和基體對位錯滑移力的

4、影響越大；表/界面應力顯著影響臨界膜厚度，可能使它增大、減小，甚至消失；納米膜越厚和失配應變越小，表/界面應力的影響越大。
　　2.探討了向錯偶極子在納米結構復合材料中（包括含涂層的圓柱夾雜、核殼納米線和納米管）的彈性行為，獲得了作用在向錯偶極子中心材料力解析解，并揭示了向錯偶極子特征、涂層厚度、材料參數錯配和表/界面應力等對向錯偶極子中心平衡位置和穩(wěn)定性的影響規(guī)律。結果表明，在納米結構復合材料中涂層或膜的材料屬性強烈影響向錯偶極

5、子平衡位置和穩(wěn)定性；納米涂層較厚時，納米線對材料力的影響會被屏蔽；存在兩個改變向錯偶極子平衡性質的臨界涂層厚度；負界面應力減小這兩個臨界涂層厚度范圍，甚至使其消失；偶極子臂長增加和向錯增強使界面應力對材料力的影響增大。
　　3.基于表面彈性理論和斷裂力學的基本知識，研究了楔型向錯偶極子與橢圓鈍裂紋的平面彈性干涉問題，獲得了 I和 II型荷載條件下鈍裂紋尖端應力強度因子以及其發(fā)射位錯的臨界應力強度因子解析解，并揭示了鈍裂紋構形和鈍化

6、率、向錯偶極子特征及其表征的納晶界滑移與遷移變形等對裂尖應力強度因子及其發(fā)射位錯的臨界應力強度因子的影響規(guī)律。結果表明，向錯、納晶界滑移與遷移變形和裂紋鈍化率對橢圓鈍裂紋尖端應力強度因子和其發(fā)射位錯影響很大；隨裂紋長度、偶極子臂長和偶極子旋轉強度的增加，向錯偶極子對裂尖的屏蔽效應增強；向錯強度對無量綱臨界應力強度因子的影響強烈依賴納米裂紋鈍化率，當納米裂紋鈍化率較小，隨向錯強度增加，無量綱臨界應力強度因子急劇減?。划敿{晶界滑移與遷移變形

7、發(fā)生時，存在一個臨界納米裂紋長度使位錯最易于發(fā)射；納晶粒尺寸對無量綱臨界應力強度因子的影響與納晶界角度有關；正表面應力改變納米裂紋鈍化率對無量綱臨界應力強度因子的影響；納米裂紋鈍化率越大，表面應力對無量綱臨界應力強度因子和位錯發(fā)射角度的影響越明顯。
　　4.建立了描述相鄰納米空位對其發(fā)射位錯臨界條件影響的廣義自洽模型，并由此導出了納米空位發(fā)射位錯的臨界應力表達式，揭示了各種因素對納米空位發(fā)射位錯臨界應力和相應最可能發(fā)射角度的影響規(guī)

8、律。結果表明，納米空位尺寸增加導致位錯發(fā)射臨界應力快速減小，促進納米空位增長；當納米空位尺寸給定時，納米空位體積分數越大，位錯發(fā)射越容易，相應位錯發(fā)射最可能角度越偏向45度方向；而當納米空位體積分數給定時，相鄰納米空位數越多，位錯發(fā)射臨界應力越大；延性多孔材料中納米空位越膨脹，納米空位發(fā)射位錯越難；納晶界滑移部分釋放納米空位附近的高局部應力，阻礙納米空位發(fā)射位錯；正（負）表面彈性常數表征的表面應力增大（減小）位錯發(fā)射臨界應力；正（負）的

9、表面殘余應力減小（增大）位錯發(fā)射臨界應力；而納晶界滑移時，存在一納米空位尺寸范圍使位錯發(fā)射臨界應力不隨納晶界滑移而變化；存在一納晶粒臨界尺寸使納米空位最難發(fā)射位錯。
　　5.基于晶格自擴散控制位錯攀移過程的蠕變機理，建立了溫度在873-923 K范圍內 NiAl納米析出強化鐵基合金的蠕變模型，導出了驅動位錯攀移的構型力公式，揭示了無窮遠外載、溫度、納米析出相尺寸、滑移平面高度和界面效應等對納米析出強化鐵基合金的蠕變性能的定量規(guī)律。