晶体材料介观损伤及断裂行为的离散位错动力学研究
发布时间：2021-03-05 03:21
材料损伤与破坏的物理机理一直是固体力学研究的核心问题之一。材料的宏观损伤与破坏行为源于介观尺度的变形及损伤演化。在介观尺度下,材料的变形及损伤行为与材料中离散位错与晶界、孔洞、微裂纹等缺陷的相互作用密切相关。捕捉材料中离散位错与晶界、孔洞、微裂纹等缺陷的相互作用过程,对揭示材料损伤与破坏的物理机理具有重要的理论意义。为此,需要发展介观尺度下离散位错与晶界、孔洞和微裂纹等缺陷相互作用的算法;在此基础上,对离散位错与晶界、孔洞和微裂纹等的相互作用过程进行定量刻画。这些问题的研究属于固体力学与材料物理的交叉前沿,具有重要的学术意义和潜在的应用价值。通过追踪材料中离散位错的动态演化,离散位错动力学（DDD）可以模拟较大空间尺度和较长时间尺度的塑性力学问题,它已成为模拟介观尺度下材料塑性变形、损伤及断裂行为的有效手段。通过扩展现有DDD方法,本文对介观尺度下材料的损伤及断裂行为进行了深入研究。本文的主要研究工作有:（1）通过离散位错动力学模拟,详细研究了I型钝裂纹与相邻微孔洞之间的相互作用,揭示了微孔洞长大机制及其尺寸效应。模拟结果表明:即便对于I型裂纹,也容易在裂纹和孔洞间形成连接裂纹尖端与孔...
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
DDDD叠加法求解思路示意图[107]
华中科技大学博士学位论文14（a）(b)图2-1计算模型尽管单晶材料在弹性和塑性性质上都应该是各向异性的，但为了简化方便，这里假设弹性性质上是各向同性的，但由于计算模型在尺寸为5050μmpplh=的过程窗口内分布了特定取向的离散滑移系因此在材料塑性行为上是各向异性的。如图2-1(b)所示,在方形的过程窗口内包含了钝裂纹端部和临近的孔洞。由于满足小范围屈服条件，塑性流动被限制在这个小范围过程窗口内，其中的位错演化由二维离散位错动力学求解。在所考虑的面心立方单晶铝平面应变模型中，与1x轴夹角为60,60,0的三个滑移系均匀的分布在过程窗口中，以后将分别称作滑移系(1),(2)和(3)，滑移面间的间距为100b=25nm。另外，在滑移面上初始是没有初始位错的，但随机分布着一定密度sou的Frank-Read位错源。给定位错源的强度nuc遵循均值为50MPanuc=标准差为0.2nucnuc=的高斯分布。一旦某个位错源上的Peach-Koehler力if在一个周期时间10nsnuct=都超过了临界形核应力nucb，就会在这个位错源上形核一对间距为4(1)(1)nucnucEbL=+的伯氏矢量异号的位错偶极子。当两个相互接近的伯氏矢量异号的位错间距小于临界距离6annL=b时它们就会彼此湮灭。另外，位错滑移的最大速度小于截断速度20ms。当位错运动到孔洞表面时会在上面形成一个小台阶，此时认为位错被孔洞表面吸收。
华中科技大学博士学位论文16反号的位错不断地从裂纹尖端表面或微孔洞表面滑移出去时，裂纹会加速扩展同时微孔洞也会迅速增长。通过DDD的模拟验证，一旦连接裂纹端部和微孔洞的两个水平滑带形成，微孔洞的增长速率就会得到显着增加。显然，这两个水平滑带的形成对裂纹的扩展和微孔洞增长非常重要。然而，直觉告诉我们，这两个滑带不应该出现在这个位置，因为根据经典的晶体塑性理论，I型裂纹尖端前缘的水平剪切应力非常低甚至接近于零。实际上，这样的水平滑移带不可能在基于经典晶体塑性的有限元模拟中出现。在本章的DDD模拟中，这些意想不到的水平滑移带只能在形成图2-2所示的斜滑移带之后形成。换句话说，这些水平滑移带可能是由于斜滑移带中位错引起的局部应力场而被激活的。此外，在仅考虑水平滑移系的DDD模拟中也不会出现这样连接裂纹尖端和孔洞的这强水平滑动带，这也进一步证实了这一结论。由于激活水平滑移带的局部应力场与构成斜滑移带的每个单独位错的离散性密切相关，经典的晶体塑性理论无法预测这些水平滑移带的形成。图2-2裂尖塑性滑移云图除了这两个水平滑移带，从图2-2还可以清楚地观察到与x轴成60yí的两个滑移带。显然，这两个斜滑移带中的位错向微孔洞表面的滑移也在一定程度上有助于孔洞增长。一般来说，尽管如图2-2所示，第二滑移系60或1208的滑移面强度非常
【参考文献】：
期刊论文
[1]SiC单晶体放射状裂纹缺陷研究[J]. 张皓,张政,孙科伟,陈建丽,孟大磊,郭森,窦瑛. 半导体技术. 2020(06)
本文编号：3064485
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
DDDD叠加法求解思路示意图[107]
华中科技大学博士学位论文14（a）(b)图2-1计算模型尽管单晶材料在弹性和塑性性质上都应该是各向异性的，但为了简化方便，这里假设弹性性质上是各向同性的，但由于计算模型在尺寸为5050μmpplh=的过程窗口内分布了特定取向的离散滑移系因此在材料塑性行为上是各向异性的。如图2-1(b)所示,在方形的过程窗口内包含了钝裂纹端部和临近的孔洞。由于满足小范围屈服条件，塑性流动被限制在这个小范围过程窗口内，其中的位错演化由二维离散位错动力学求解。在所考虑的面心立方单晶铝平面应变模型中，与1x轴夹角为60,60,0的三个滑移系均匀的分布在过程窗口中，以后将分别称作滑移系(1),(2)和(3)，滑移面间的间距为100b=25nm。另外，在滑移面上初始是没有初始位错的，但随机分布着一定密度sou的Frank-Read位错源。给定位错源的强度nuc遵循均值为50MPanuc=标准差为0.2nucnuc=的高斯分布。一旦某个位错源上的Peach-Koehler力if在一个周期时间10nsnuct=都超过了临界形核应力nucb，就会在这个位错源上形核一对间距为4(1)(1)nucnucEbL=+的伯氏矢量异号的位错偶极子。当两个相互接近的伯氏矢量异号的位错间距小于临界距离6annL=b时它们就会彼此湮灭。另外，位错滑移的最大速度小于截断速度20ms。当位错运动到孔洞表面时会在上面形成一个小台阶，此时认为位错被孔洞表面吸收。
华中科技大学博士学位论文16反号的位错不断地从裂纹尖端表面或微孔洞表面滑移出去时，裂纹会加速扩展同时微孔洞也会迅速增长。通过DDD的模拟验证，一旦连接裂纹端部和微孔洞的两个水平滑带形成，微孔洞的增长速率就会得到显着增加。显然，这两个水平滑带的形成对裂纹的扩展和微孔洞增长非常重要。然而，直觉告诉我们，这两个滑带不应该出现在这个位置，因为根据经典的晶体塑性理论，I型裂纹尖端前缘的水平剪切应力非常低甚至接近于零。实际上，这样的水平滑移带不可能在基于经典晶体塑性的有限元模拟中出现。在本章的DDD模拟中，这些意想不到的水平滑移带只能在形成图2-2所示的斜滑移带之后形成。换句话说，这些水平滑移带可能是由于斜滑移带中位错引起的局部应力场而被激活的。此外，在仅考虑水平滑移系的DDD模拟中也不会出现这样连接裂纹尖端和孔洞的这强水平滑动带，这也进一步证实了这一结论。由于激活水平滑移带的局部应力场与构成斜滑移带的每个单独位错的离散性密切相关，经典的晶体塑性理论无法预测这些水平滑移带的形成。图2-2裂尖塑性滑移云图除了这两个水平滑移带，从图2-2还可以清楚地观察到与x轴成60yí的两个滑移带。显然，这两个斜滑移带中的位错向微孔洞表面的滑移也在一定程度上有助于孔洞增长。一般来说，尽管如图2-2所示，第二滑移系60或1208的滑移面强度非常
【参考文献】：
期刊论文
[1]SiC单晶体放射状裂纹缺陷研究[J]. 张皓,张政,孙科伟,陈建丽,孟大磊,郭森,窦瑛. 半导体技术. 2020(06)
本文编号：3064485
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/3064485.html
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