2.1.6三维拉伸情祝下的软化分析………68 2.1.7单向拉伸的算例………… 70 2.2脆性材料压缩的微裂纹扩展区模型…72 2.2.1微裂纹的闭合和摩擦滑移………………… 73 2.2.2闭合微裂纹的自相似扩展及微裂纹扩展区………75 2.2.3复杂加载条件下徽裂纹扩展区的演化及柔度张量的计算…76 2.2.4微裂纹的弯折扩展…………77 2.2.5单个弯折扩展微裂纹引起的非弹性柔度张量…78 2.2.6微裂纹弯折扩展的稳定性分析… 81 2.2.7有效柔度张量的计算… 83 2.2.8算例……………… …83 2.2.9小结…… …85 2.3结束语………… 参考文献… …86 第3章变形与损伤的局部化理论 88 3.1损伤演化和损伤局部化的规律… 488 3.1.1细观演化实验与方法…… 88 3.1.2非均匀损伤变形场的演化理论……95 3.2疲劳短裂纹群体损伤及其局部化…………………104 3.2.】疲劳短裂纹萌生与发展的演化特征……104 3.2.2裂纹数密度守恒方程的理论和计算结果……106 3.2.3短裂纹演化行为的计算机模拟……108 3.2.4裂纹群体损伤演化特征分析…111 3.2.5疲劳短裂纹群体演化的损伤矩分析…116 3.3变形局部化形成与徽结构演化…………]18 3.3.1低碳钢……… 119 3.3.2钛合金………… 122 3.3.3A-i合金…… 124 3.3.4SiCp颗粒增强A-基复合材料…… 127 3.4变形局部化的计算模拟与相变局部化………128 3.4.1多晶体材料塑性变形局部化的数值模拟…… 128 3.4.2相变引起的变形局部化与材料失稳现象研究……130 参考文献……………132 第4章面心立方晶体疲劳损伤的取向和晶界效应……… 135 4.1双滑移和多滑移取向单晶体的循环形变……………137 4.1.1循环应力应变响应和初始循环硬化……138
4.1.2循环应力应变曲线的晶体取向效应………141 4.1.3铜单晶体在循环形变中形成的形变带………143 4.1.4位错结构特征及其与晶体取向关系……148 4.2疲劳损伤的晶界效应…………………………………………*……152 4.2.1双晶体的循环形变特征………152 4.2.2驻留滑移带与晶界的交互作用及晶界邻域的位错结构…156 4.2.3疲劳裂纹沿晶界的萌生…*… 160 4.2.4铜三晶体的循环形变与疲劳损伤*…163 4.3晶体形变的品体微观力学和有限元分析…*…164 4.3.1晶体潜在硬化的指向行为…………165 4.3.2垂直晶界双晶中的应变和分解切应力…167 4.3.3铜三晶体主滑移系分解切应力的有限元分析*…168 4.3.4铜复晶体主滑移系分解切应力的有限元分析…170 4,4结语和进一步的工作…**171 参考文款…+……172 第5章材料与薄膜结构的强韧化力学原理…………175 5.1引言一强韧材料与中国的技术进步………………175 5.1,1强韧材料构成中国技术起飞的骨架…………………175 5,1,2材料强韧化的潜力与范例……………176 5.1.3强韧化的新型薄膜结构与高新技术的发展…177 5.1.4材料强韧化与宏微观断裂力学……………177 5.2材料强韧化的3个层次……178 5.2,1裂尖场结构””*…n*… ……178 5.2.2宏观层次：断裂的能量消耗*…179 5.2.3细观层次：断裂过程区与断裂路径…4……180 5.2.4微观层次：分离前的原子运动混沌……181 5.3强韧化过程的力学计算*…4*…………+*…………181 5.3.1宏细观平均化计算*…181 5.3.2层状结构的细观模拟计算… …182 5.3.3强度的统计计算……… 182 5,3.4宏细微观三层嵌套模型… M. …183 5.4典型强韧化机制的力学原理…… ……184 5.4.1裂尖屏蔽***…**……… 184 5.4.2裂尖形貌控制…… …186 5.4.3尾区耗能控制… 186 5、4.4裂纹面桥联……… 187 5.4.5裂纹扩展路径控制… …**……188 ·N·
5.5强韧化薄膜…………………189 5.5.1BCgN4超硬薄膜的制备……189 5.5.2薄膜的界面强度测试……………190 5.5.3约束蒋膜的断裂韧性…………+……………191 5.6结束语…………】91 参考文献……**“””小**4…4中”*44*…*甲**华192 第6章环境断裂……196 6.】断裂的物理基础……*………196 6.1.】断裂和环境断裂……196 6.1.2位错发射和无位错区…… 198 6.1.3微裂纹形核的位错理论…………200 6.1.4切跪判据……202 6.2氢致断裂……………204 6.2,1氢在金属中的行为………204 6.2.2氢促进局部塑性变形…… 207 6.2.3氢脆*…… 6.2.4氢致开裂机理…………… …214 6.3应力腐蚀……… 44*…219 6.3.1应力腐蚀基础… 219 6.3.2氢在阳极溶解型应力循蚀中的作用…223 6.33腐蚀促进局部塑性变形……224 6.3.4阳极溶解型SCC机理……………… 227 参考文献……小………………………… 231 。X+
第1章 裂端位错发射和断裂位错理论 1.1前言 断裂力学的应力强度因子理论和Griffith能量理论为线弹性材料脆性断裂提供了重要 的理论框架门。Griffith理论成功地解释了玻璃、陶瓷等脆性材料实测强度远远低于理论强 度的内在原因。Griffith指出：存在于玻璃、陶瓷中的微裂纹是造成这些材料低应力脆断的 根源。 Irwin和Orowan们对Griffith脆断理论作了重大发展，证实了能量释放率可以用更加 直观的应力强度因子来表征，提出了材料断裂韧性的新概念，从而为非理想弹性材料的低应 力脆断提供了理论基础。 Rice],Cherepanov[s),Hutchinson],Rice和Rosengrents)所建立的J积分和HRR奇 性场为弹塑性材料的断裂问题提供了重要的理论基础。但是这些理论建立在经典的连续介 质力学框架之上，回避了裂纹尖端真实的物理过程，而把这些物理过程简单地归之为黑盒子。 要想打开黑盒子，弄清裂纹尖端的物理过程，必须对裂纹尖端区域材料的细微观结构和 缺陷特征及其在外载作用下的演化过程作深入的了解。 材料韧性与脆性行为及其转换机制是断裂物理的关键科学问题。90年代以来物理学家 和力学家围绕着这个挑战性问题进行了大量的研究与探讨。近二十多年的深人研究，使我们 清楚地认识到，裂纹尖端发射位错可能是确定材料韧性-脆性行为的最重要现象之一。 最先提出裂尖发射位错概念的是Rice和Thomson们，他们考虑了裂纹与位错之间的交 互作用，建立了裂纹尖端发射位错的判据。在此基础上，Thomson门、Weertman们进一步提 出了位错屏蔽概念。其后，许多人应用这些概念直接将裂纹尖端形变程度与断裂韧性的增加 联系起来，获得材料韧、脆转变判据。 20世纪80年代初期，美国橡树岭国家实验室Ohr]-门领导的一个固态物理研究组发 表了一系列令人鼓舞的实验结果，掀起了研究裂纹与位错交互作用的热潮。他们利用透射电 镜原位拉仲装置对Ni-Cr不锈钢，Mo,W,Cu,Al,Ni和Nb及Fc等单晶薄膜试样在单向及 交变载荷下的裂尖形变特征，特别是裂尖位错发射进行了仔细观察。生动地证实了裂纹尖端 发射位错的物理过程，发现了裂尖前方的塑性区是由已发射位错的反塞积群所组成，而在裂 纹尖端与塑性区之间存在着一个无位错区。 Burns1]描述了】iF单晶块体裂纹尖端附近位错分布的蚀坑研究结果。Ohr们推断 Burns所观察到的位错是由裂纹尖端发射出来的。 Chiao和Clarke关于SiC单晶薄膜试样高温下透射电镜原位观察，证实了热激活能 对裂尖位错发射的重要作用，并对Argo1)的如下观点给予有力的支持：从裂尖发射的位 ·1·
错环可以沿着与裂纹前缘相交的滑移面成核和滑出裂尖区域，只要这个滑移面具有最大的 分解剪应力。 Li等人[t,Huang和Gerberich,Zielinski等人]及Marsh等人n即报导了一系列关 于铁硅材料(Fe-3wt%Si)裂尖位错发射的实验结果，其中包括I型加载下薄膜拉伸试样 TEM的原位观察：氢环境下袖珍边缺口块体试样裂尖变形特征及亚临界扩展的实验观察。 他们发现，单品薄膜试样的位错从裂尖沿着两个对称分布的倾斜滑移面发射，形成两条 宽度逐渐增加的滑移带。 Narita等人2o们，Ha和Xu〔21)以及Xu等人2对于单晶块体试样的实验，同样证实位错 从裂端发射及形成无位错区的物理过程。Ha和Xu[2]对铝单晶、钼单晶及Fe-3%Si单晶块 体试样的实验证实，当滑移面法线与裂纹前沿线夹角α等于90°时，容易形成无位错区；当 α≠90°时，位错环蜷线增殖机制可能促成位错不断从裂端发射。 1.2裂端位错行为的实验观察 80年代至90年代前期已经对裂纹尖端位错行为进行了大量的实验观察。在一定条件 下裂纹尖端会发射位错已皱大量实验所证实。已发射位错的屏蔽效应及无位错区的存在也 得到广泛承认。但是绝大多数实验是针对韧性金属进行的。 对于脆性材料，裂纹尖端会不会发射位错依然是个谜。如果脆性材料裂纹尖端也会发射 位错，那么韧性与脆性的物理本质又是什么？ Rice和Thomsonts幻的工作将材料分为内桌脆性和内裹韧性两大类。而大量的实验证 实~2)，脆性材料在解理断裂之前，通常也伴随有一定数量的位错发射。Ohr强调裂端 发射位错与解理扩展的竞争机制导致了裂纹的Z字型扩展。但是对无位错区在裂纹扩展中 的作用，尚缺乏深入的认识。 裂纹扩展呈现出多种复杂的物理机制，无位错区(DFZ)在不同机制中所扮演的角色是 什么有待进一步探讨。 1.2.1裂端位错发射 肖纪美、褚武扬领导的研究组对脆形材料裂纹尖端位错行为及纳米徽裂纹在无位错区 中形核过程进行了系统的实验观察与研究[23~[2]。 他们选择的脆性材料是TiAl和TiAl+Nb(Ti-24Al+Nb)金属间化合物。块状试样封 在1×104Pa的石英管内，分别在1250℃(TiA1)和1150℃(Ti,A+Nb)固溶1.5h,空冷后， 再经900℃，2h均匀化处理。然后切出约0.2m厚的薄片，再用化学或机械的方法减薄至 3050μm。 为了与韧性材料进行对比，他们同时对310钢和黄铜进行了相应的实验观察。 他们发现脆性材料(TiAI和Ti,A十Nb)与韧性材料一样，在透射电子显微镜(TEM)中 原位拉伸时，裂纹尖端会发射很多位错。这些从裂尖发射出来的位错，平衡后形成反塞积群。 。2·