納米復(fù)合材料中廣義位錯與微結(jié)構(gòu)交互作用機(jī)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(shè)備廣泛應(yīng)用，納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料正日益成為力學(xué)、材料科學(xué)和固體物理方面交叉研究和開發(fā)的重點(diǎn)。大量研究表明，納米尺度材料的力學(xué)性能和微結(jié)構(gòu)演變強(qiáng)烈依賴其維度和尺寸。因?yàn)楦叩谋?界面體積比導(dǎo)致表/界面效應(yīng)對材料性能影響很大。因此，研究表/界面效應(yīng)對各種位錯、向錯與納米夾雜、裂紋、空位等顯微結(jié)構(gòu)相互作用的影響有助于解釋納米結(jié)構(gòu)材料一系列尺寸相關(guān)的物理和力學(xué)性能，包括廣義位錯的強(qiáng)韌化機(jī)理等；也有助

2、于說明這些研究的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。
　　本文以納米結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)的相互作用機(jī)理及其與材料強(qiáng)韌化和斷裂破壞的關(guān)聯(lián)?；趯?shí)際工程應(yīng)用，建立了各類相應(yīng)力學(xué)模型，發(fā)展了求解復(fù)雜多相多連通域混合邊值問題以及尺度相關(guān)表/界面平面問題的分析方法，并將該方法成功應(yīng)用于求解和分析系列復(fù)雜顯微結(jié)構(gòu)問題的干涉應(yīng)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(yīng)、裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子及其發(fā)射位錯的臨界條件等宏、細(xì)及微觀物理量及現(xiàn)象。主要研究成果如下：
　　1.獲得了刃型位錯在納米結(jié)構(gòu)復(fù)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(fù)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(yīng)以及位錯相對位置等對刃型位錯形核、運(yùn)動和穩(wěn)定性的影響規(guī)律。結(jié)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(yīng)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(yīng)變越小，表/界面應(yīng)力的影響越大。
　　2.探討了向錯偶極子在納米結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)錯配和表/界面應(yīng)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(jié)果表明，在納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中涂層或膜的材料屬性強(qiáng)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(zhì)的臨界涂層厚度；負(fù)界面應(yīng)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(qiáng)使界面應(yīng)力對材料力的影響增大。
　　3.基于表面彈性理論和斷裂力學(xué)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(yīng)力強(qiáng)度因子以及其發(fā)射位錯的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子解析解，并揭示了鈍裂紋構(gòu)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(yīng)力強(qiáng)度因子及其發(fā)射位錯的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響規(guī)律。結(jié)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(yīng)力強(qiáng)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(zhuǎn)強(qiáng)度的增加，向錯偶極子對裂尖的屏蔽效應(yīng)增強(qiáng)；向錯強(qiáng)度對無量綱臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響強(qiáng)烈依賴納米裂紋鈍化率，當(dāng)納米裂紋鈍化率較小，隨向錯強(qiáng)度增加，無量綱臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子急劇減??；當(dāng)納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(yīng)力強(qiáng)度因子的影響與納晶界角度有關(guān)；正表面應(yīng)力改變納米裂紋鈍化率對無量綱臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響；納米裂紋鈍化率越大，表面應(yīng)力對無量綱臨界應(yīng)力強(qiáng)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(dǎo)出了納米空位發(fā)射位錯的臨界應(yīng)力表達(dá)式，揭示了各種因素對納米空位發(fā)射位錯臨界應(yīng)力和相應(yīng)最可能發(fā)射角度的影響規(guī)

8、律。結(jié)果表明，納米空位尺寸增加導(dǎo)致位錯發(fā)射臨界應(yīng)力快速減小，促進(jìn)納米空位增長；當(dāng)納米空位尺寸給定時，納米空位體積分?jǐn)?shù)越大，位錯發(fā)射越容易，相應(yīng)位錯發(fā)射最可能角度越偏向45度方向；而當(dāng)納米空位體積分?jǐn)?shù)給定時，相鄰納米空位數(shù)越多，位錯發(fā)射臨界應(yīng)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(yīng)力，阻礙納米空位發(fā)射位錯；正（負(fù)）表面彈性常數(shù)表征的表面應(yīng)力增大（減?。┪诲e發(fā)射臨界應(yīng)力；正（負(fù)）的

9、表面殘余應(yīng)力減小（增大）位錯發(fā)射臨界應(yīng)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(yīng)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(kuò)散控制位錯攀移過程的蠕變機(jī)理，建立了溫度在873-923 K范圍內(nèi) NiAl納米析出強(qiáng)化鐵基合金的蠕變模型，導(dǎo)出了驅(qū)動位錯攀移的構(gòu)型力公式，揭示了無窮遠(yuǎn)外載、溫度、納米析出相尺寸、滑移平面高度和界面效應(yīng)等對納米析出強(qiáng)化鐵基合金的蠕變性能的定量規(guī)律。