典型面心立方金属断裂的多尺度实验表征及有限元模拟
发布时间：2021-02-17 19:15
金属材料在工程结构中有着广泛的应用。其在服役过程中的破坏失效直接影响着工程结构的安全,因此如何预防破坏失效有着重要的意义。韧性断裂是金属材料破坏主要形式之一,其断裂机理的研究具有重要的工程意义和学术价值,一直受到国内外学者长期以来的关注。本文针对三种典型面心立方金属的韧性断裂进行了研究,主要采用多尺度实验表征技术分析韧性断裂全过程,同时应用有限元方法分析应力状态对断裂过程不同阶段的影响。具体来说,本文将韧性断裂分为三个阶段分别进行研究:空洞形核（nucleation）、长大（growth）和汇合（coalescence）。针对三种典型面心立方金属Al-Cu合金、单晶铜以及CrMnFeCoNi高熵合金,本文使用透射电镜（TEM）和扫描电镜（SEM）表征了韧性断裂过程中空洞的形成、长大和汇合,并观测了空洞形核、长大及汇合过程中伴随的材料微观组织变化,统计分析空洞形成、长大和汇合的规律,并借助有限元分析方法,计算分析了韧性断裂不同阶段应力与微观组织变化的关系。通过将计算分析和实验测试结果对比,揭示了面心立方金属因空洞引起的韧性断裂的微观机理。本文主要由三部分组成:（1）Al-Cu合金在复杂应...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
高强度钢圆形缺口钢筋韧性断裂的现象学：损伤累积，宏观裂纹萌生，裂纹扩展和剪切裂纹形成[26]
重庆大学博士学位论文4图1.2铜合金空洞形核（a）和第二相界面和基体脱离造成空洞形核（b）的SEM观测图[38]Fig1.2SEMmicrographsofdamageduringaninsitutensiletest;(a)completedecohesionoftheinterface;(b)coalescencealongsheardirections[38]图1.3双相钢中的典型的空洞形成模式：（a）马氏体断裂形成的空洞，（b）马氏体和铁素体界面处形成的空洞，（c）夹杂颗粒处形成空隙[36]Fig1.3Typicalvoidnucleationindualphasesteel:(a)voidsnucleatedbymartensitefracture,(b)voidsnucleatedattheinterfacebetweenmartensiteandferrite,and(c)voidsnucleatedattheinclusions[36]除上述第二相颗粒、相界面及脆性相内部，空洞还可能在晶粒内部、剪切带、晶界以及孪晶界等复杂界面处形核[39]，且不同位置的空洞形核对材料的断裂产生的影响不同。Nazmy[40]等人在对冷加工后的铸造镍基合金进行加载，发现空洞在晶粒内及晶界处均能形核，同时Garrison[41]等人的研究也观察到同样的现象，这种形核方式促进了韧性断裂早期阶段的进行。对于高纯度多晶金属，由于微观组织中各种界面作为不均匀结构存在，这些界面往往会促进空洞成核。如Cerreta[42]等人通过对不同晶粒尺寸的多晶铜样品进行冲击试验就发现在Σ3及小角度晶界处会出现空洞形核。Kim[43]等人发现变形孪晶可以提供空洞形核的位点，其对纳米孪晶铜进行原位加载实验，观测到加载的后期随着位错在孪晶界的积累和缺陷的增加，有空洞在孪晶界处形核。一些研究也发现剪切变形带也可以成为空洞形核的关键位点。Torki[44]等人的实验和数值模拟就对剪切带内空洞形核对损伤过程的影响进行研究，发现剪切带中的材料可以发生软化而不会增加空洞体积分数。对于给定
重庆大学博士学位论文4图1.2铜合金空洞形核（a）和第二相界面和基体脱离造成空洞形核（b）的SEM观测图[38]Fig1.2SEMmicrographsofdamageduringaninsitutensiletest;(a)completedecohesionoftheinterface;(b)coalescencealongsheardirections[38]图1.3双相钢中的典型的空洞形成模式：（a）马氏体断裂形成的空洞，（b）马氏体和铁素体界面处形成的空洞，（c）夹杂颗粒处形成空隙[36]Fig1.3Typicalvoidnucleationindualphasesteel:(a)voidsnucleatedbymartensitefracture,(b)voidsnucleatedattheinterfacebetweenmartensiteandferrite,and(c)voidsnucleatedattheinclusions[36]除上述第二相颗粒、相界面及脆性相内部，空洞还可能在晶粒内部、剪切带、晶界以及孪晶界等复杂界面处形核[39]，且不同位置的空洞形核对材料的断裂产生的影响不同。Nazmy[40]等人在对冷加工后的铸造镍基合金进行加载，发现空洞在晶粒内及晶界处均能形核，同时Garrison[41]等人的研究也观察到同样的现象，这种形核方式促进了韧性断裂早期阶段的进行。对于高纯度多晶金属，由于微观组织中各种界面作为不均匀结构存在，这些界面往往会促进空洞成核。如Cerreta[42]等人通过对不同晶粒尺寸的多晶铜样品进行冲击试验就发现在Σ3及小角度晶界处会出现空洞形核。Kim[43]等人发现变形孪晶可以提供空洞形核的位点，其对纳米孪晶铜进行原位加载实验，观测到加载的后期随着位错在孪晶界的积累和缺陷的增加，有空洞在孪晶界处形核。一些研究也发现剪切变形带也可以成为空洞形核的关键位点。Torki[44]等人的实验和数值模拟就对剪切带内空洞形核对损伤过程的影响进行研究，发现剪切带中的材料可以发生软化而不会增加空洞体积分数。对于给定
本文编号：3038404
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
高强度钢圆形缺口钢筋韧性断裂的现象学：损伤累积，宏观裂纹萌生，裂纹扩展和剪切裂纹形成[26]
重庆大学博士学位论文4图1.2铜合金空洞形核（a）和第二相界面和基体脱离造成空洞形核（b）的SEM观测图[38]Fig1.2SEMmicrographsofdamageduringaninsitutensiletest;(a)completedecohesionoftheinterface;(b)coalescencealongsheardirections[38]图1.3双相钢中的典型的空洞形成模式：（a）马氏体断裂形成的空洞，（b）马氏体和铁素体界面处形成的空洞，（c）夹杂颗粒处形成空隙[36]Fig1.3Typicalvoidnucleationindualphasesteel:(a)voidsnucleatedbymartensitefracture,(b)voidsnucleatedattheinterfacebetweenmartensiteandferrite,and(c)voidsnucleatedattheinclusions[36]除上述第二相颗粒、相界面及脆性相内部，空洞还可能在晶粒内部、剪切带、晶界以及孪晶界等复杂界面处形核[39]，且不同位置的空洞形核对材料的断裂产生的影响不同。Nazmy[40]等人在对冷加工后的铸造镍基合金进行加载，发现空洞在晶粒内及晶界处均能形核，同时Garrison[41]等人的研究也观察到同样的现象，这种形核方式促进了韧性断裂早期阶段的进行。对于高纯度多晶金属，由于微观组织中各种界面作为不均匀结构存在，这些界面往往会促进空洞成核。如Cerreta[42]等人通过对不同晶粒尺寸的多晶铜样品进行冲击试验就发现在Σ3及小角度晶界处会出现空洞形核。Kim[43]等人发现变形孪晶可以提供空洞形核的位点，其对纳米孪晶铜进行原位加载实验，观测到加载的后期随着位错在孪晶界的积累和缺陷的增加，有空洞在孪晶界处形核。一些研究也发现剪切变形带也可以成为空洞形核的关键位点。Torki[44]等人的实验和数值模拟就对剪切带内空洞形核对损伤过程的影响进行研究，发现剪切带中的材料可以发生软化而不会增加空洞体积分数。对于给定
重庆大学博士学位论文4图1.2铜合金空洞形核（a）和第二相界面和基体脱离造成空洞形核（b）的SEM观测图[38]Fig1.2SEMmicrographsofdamageduringaninsitutensiletest;(a)completedecohesionoftheinterface;(b)coalescencealongsheardirections[38]图1.3双相钢中的典型的空洞形成模式：（a）马氏体断裂形成的空洞，（b）马氏体和铁素体界面处形成的空洞，（c）夹杂颗粒处形成空隙[36]Fig1.3Typicalvoidnucleationindualphasesteel:(a)voidsnucleatedbymartensitefracture,(b)voidsnucleatedattheinterfacebetweenmartensiteandferrite,and(c)voidsnucleatedattheinclusions[36]除上述第二相颗粒、相界面及脆性相内部，空洞还可能在晶粒内部、剪切带、晶界以及孪晶界等复杂界面处形核[39]，且不同位置的空洞形核对材料的断裂产生的影响不同。Nazmy[40]等人在对冷加工后的铸造镍基合金进行加载，发现空洞在晶粒内及晶界处均能形核，同时Garrison[41]等人的研究也观察到同样的现象，这种形核方式促进了韧性断裂早期阶段的进行。对于高纯度多晶金属，由于微观组织中各种界面作为不均匀结构存在，这些界面往往会促进空洞成核。如Cerreta[42]等人通过对不同晶粒尺寸的多晶铜样品进行冲击试验就发现在Σ3及小角度晶界处会出现空洞形核。Kim[43]等人发现变形孪晶可以提供空洞形核的位点，其对纳米孪晶铜进行原位加载实验，观测到加载的后期随着位错在孪晶界的积累和缺陷的增加，有空洞在孪晶界处形核。一些研究也发现剪切变形带也可以成为空洞形核的关键位点。Torki[44]等人的实验和数值模拟就对剪切带内空洞形核对损伤过程的影响进行研究，发现剪切带中的材料可以发生软化而不会增加空洞体积分数。对于给定
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