第15卷第3期金屬功能材料2008年6月Metallic Functionel MaterialJune, 2008裂紋動力學(xué)的研究進(jìn)展于濤,謝紅獻(xiàn),杜俊平,曹莉霞,王崇愚(鋼鐵研究總院功能材料研究所北京100081)摘要:本文重點(diǎn)在原子層次上介紹了裂紋動力學(xué)的研究進(jìn)展。宏觀斷裂反應(yīng)是典型的多尺度現(xiàn)象,需要建立和發(fā)展材料的多尺度模型和多尺度計(jì)算方法關(guān)鍵詞:裂紋動力學(xué);研究進(jìn)展;多尺度模型中圖分類號:TG1191文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1005-8192(2008)03-0039-04Progress of Investigation on Crack DynamicsYU Tao, XIE Hong-xian, DU Jun-ping, CAO Li-xia, WANG Chong-yuDepartment of Functional Materials, Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China)ABSTRACT: In the view of atomic size, progress in investigation on the crack dynamics has been introduced emphati-cally. The process of macroscopic fracture is a typical multiscale phenomenon. It is needed to set up and develop themultiscale materials model and corresponding calculation method.EY WORDS: crack dynamics; investigation progress; multiscale model斷裂是金屬材料在使用過程中經(jīng)常遇到的實(shí)出的:有關(guān)新材料的應(yīng)用不僅要建立在了解有關(guān)設(shè)際問題,也是金屬物理學(xué)研究的重要內(nèi)容。斷裂的計(jì)與工藝要求的基礎(chǔ)上,而且也要建立在材料在變研究始于19世紀(jì)后期和20世紀(jì)初期,人們發(fā)現(xiàn)材形和斷裂過程中的行為基礎(chǔ)上(2料的實(shí)際斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)低于其理論估計(jì)值。一般來近二、三十年來,由于實(shí)驗(yàn)和計(jì)算技術(shù)的迅猛發(fā)說,工程材料的實(shí)際斷裂強(qiáng)度與理論斷裂強(qiáng)度之間展,多尺度材料模型研究逐漸成為材料物理研究中的差別都高達(dá)兩三個(gè)數(shù)量級這一事實(shí)困惑了人們新的研究熱點(diǎn)。而金屬材料的形變破壞或斷裂過很長時(shí)間,直到人們認(rèn)識到金屬材料的力學(xué)性質(zhì)對程貫穿宏觀、介觀、微觀尺度及原子、電子層次,從原于不同層次的微觀結(jié)構(gòu)具有敏感性,也就是說,子鍵尺度到宏觀尺度跨越約107量級,是典型的多實(shí)際材料的斷裂強(qiáng)度的降低是由于存在于其中的缺尺度現(xiàn)象。例如,外加應(yīng)力或引入雜質(zhì)元素引起電陷所導(dǎo)致的。這些缺陷包括宏觀缺陷如裂紋、空穴子原子尺度下的化學(xué)鍵合變化,導(dǎo)致晶面解理位及微觀缺陷如位錯(cuò)、晶界、相界、點(diǎn)缺陷等。材料中錯(cuò)形核、運(yùn)動、塞積等微觀變化以及空洞夾雜形微裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展更是導(dǎo)致材料最終斷裂的直接原成、微裂紋擴(kuò)展、晶界遷移、位錯(cuò)攀移等介觀層次變因化,最終導(dǎo)致材料破損的宏觀結(jié)果。材料的塑性變形與斷裂是材料最基本和最重要總之,對裂紋擴(kuò)展的研究一直是斷裂問題的重的力學(xué)行為因此用實(shí)驗(yàn)和理論方法確定材料在某要研究內(nèi)容它由宏觀層次逐步深入到了原子和電一特定條件下發(fā)生塑性變形的微觀機(jī)制,并把微觀子的微觀層次。本文重點(diǎn)在原子層次上對裂紋擴(kuò)展機(jī)制與宏觀可測的性能聯(lián)系起來是材料科學(xué)工作動力學(xué)研究的計(jì)算方法和進(jìn)展等作一介紹者的一項(xiàng)極其重要的任務(wù)。正如國際著名教授J中國煤化工Schijve在1993年國際疲勞會議上所作的報(bào)告中指CNMHG作者簡介:于濤(1960-),男,高級工程師主要從事材料科學(xué)基礎(chǔ)研究.E- Mail: ytaol012345@163.cm金屬功能材料2008年1計(jì)算方法我們討論的韌性一脆性轉(zhuǎn)變是指材料由于溫度降低導(dǎo)致的由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔训牧W(xué)現(xiàn)國際學(xué)術(shù)界近年來取得的幾項(xiàng)研究成果為材料象,這是材料使用中的一個(gè)十分重要的問題。1990微觀力學(xué)行為的研究奠定了基礎(chǔ):(1)Rce·提出了年, Cheng和Yip采用鑲嵌原子勢,運(yùn)用應(yīng)力邊位錯(cuò)發(fā)射不穩(wěn)定堆垛能y這一固體物理參數(shù),用來界條件,模擬研究了aFe100](011)裂紋在不同溫描述裂紋尖端的位錯(cuò)發(fā)射;(2)微觀實(shí)驗(yàn)技術(shù)的重要度條件下的裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),原子體系包含了2400到突破0,已實(shí)現(xiàn)了原子分辨率的觀察和測量,為原3000個(gè)原子。結(jié)果表明,當(dāng)溫度為200K時(shí),裂紋解子尺度微觀力學(xué)理論分析提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);(3)鑲嵌理擴(kuò)展;當(dāng)溫度達(dá)到400K時(shí),裂尖附近出現(xiàn)刃型位原子法的提出為原子多體勢理論注入了活力,錯(cuò),并且裂尖明顯張開,這都是韌性斷裂的典型特它為描述原子尺度的微觀現(xiàn)象提供了有力工具。另征。他們得出結(jié)論:脆一韌轉(zhuǎn)變發(fā)生的機(jī)制是由于外,大容量高速電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn),為計(jì)算微觀力學(xué)裂尖的位錯(cuò)發(fā)射及對應(yīng)于裂紋取向的特殊滑移系的提供了計(jì)算工具,使大規(guī)模的計(jì)算成為可能。激活。隨后, Cheng和Yip用MD方法研究了<微觀領(lǐng)域往往研究單個(gè)粒子的行為,宏觀性質(zhì)100>110),<100>{100}和<110>{100}三種裂是大量粒子的綜合行為。解決由大量原子組成的非紋取向的aFe的韌一脆轉(zhuǎn)變行為。低溫時(shí)(200K線性多體動力學(xué)問題可采用分子動力學(xué)方法及其以下溫度),三種裂紋模型均呈現(xiàn)脆性行為,解( molecular dynamics簡稱MD方法)。MD方法能理發(fā)生于{100}或{110}平面上。當(dāng)溫度升高超過韌夠準(zhǔn)確地再現(xiàn)宏觀性質(zhì),同時(shí)又儲藏了大量的微觀脆轉(zhuǎn)變溫度時(shí),觀察到大量的位錯(cuò)發(fā)射出來,同時(shí)信息,因此,它是聯(lián)系宏觀尺度和微觀尺度的重要工伴隨著裂尖的鈍化。另外,對于<110>{100}裂紋具。目前,分子動力學(xué)方法已經(jīng)與蒙特卡羅方法一取向,還觀察到了局域結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變以及<111>{112}起成為計(jì)算機(jī)模擬的重要方法之一,并廣泛應(yīng)用于滑移系上的孿晶形變諸多領(lǐng)域的模擬研究中。1997年, Cleri等人根據(jù) Lennard-Jones勢,2研究進(jìn)展用MD方法研究了包含86400個(gè)原子的f體系的裂尖塑性問題,分析了位錯(cuò)形核前后在被激活滑移我們知道,晶體是由大量的原子有序排列而成面上的原子尺度的位移場與應(yīng)力場通過給出裂尖的,材料的強(qiáng)度來源于原子間的相互作用塑性來源附近滑移面上的應(yīng)力一位移關(guān)系,研究了位錯(cuò)形核于原子間的相互運(yùn)動。因此,直接從原子尺度對材過程的能量學(xué)。同時(shí)進(jìn)一步闡明了由于發(fā)射位錯(cuò)產(chǎn)料的微觀力學(xué)行為進(jìn)行研究顯得非常重要。生的裂尖屏蔽效應(yīng),導(dǎo)致裂尖鈍化的機(jī)制。Zhou等2.1裂紋脆性解理人13則運(yùn)用巨型并行三維MD方法模擬了3500萬decelis等人[10通過改進(jìn)原子間勢并采用應(yīng)力個(gè)原子的體系,研究了原子尺度上的塑性斷裂的力邊界條件,模擬了aFe斷裂的原子過程,結(jié)果發(fā)現(xiàn),學(xué)行為。首次觀測到裂尖的位錯(cuò)環(huán)發(fā)射,并指出裂0K時(shí)裂紋的不穩(wěn)定模式傾向于脆性解理,并且初始尖位錯(cuò)發(fā)射的順序是建立本征韌性判據(jù)的關(guān)鍵因時(shí)沿(110面擴(kuò)展隨后沿{010}面穩(wěn)定擴(kuò)展。裂紋素它強(qiáng)烈依賴于裂尖的晶體學(xué)取向,這一觀點(diǎn)與以擴(kuò)展時(shí)的斷裂韌度值K1≈K,且擴(kuò)展過程中裂尖往的有關(guān)推測明顯不同。而 abraham等人0更是無位錯(cuò)產(chǎn)生。斷裂表現(xiàn)為沿{100}解理面的完全脆對一億個(gè)原子的體系進(jìn)行了三維分子動力學(xué)模擬性斷裂與實(shí)驗(yàn)觀察相符。 Kohlhofj/等人(發(fā)展研究了含缺口的固體材料在拉伸狀態(tài)下的動態(tài)斷裂了一種有限元方法與原子模擬方法相結(jié)合的模型,過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn),低溫下固態(tài)稀有氣體(例如:氙)開分別用 Finnis sinclair勢和 Johnson勢研究了始時(shí)是以脆性解理的方式斷裂,當(dāng)裂紋速度達(dá)到100}和{110}裂紋。他們考慮了裂紋面分別為 Rayleigh聲速的1/3時(shí),裂尖在原子尺度上變得粗100}和{110}面,裂紋前沿沿<100>或<110>方糙,隨后發(fā)生“動態(tài)脆一韌轉(zhuǎn)變”。此時(shí),由于大量位向的四種裂紋構(gòu)型。模擬發(fā)現(xiàn)四種裂紋模型都發(fā)生錯(cuò)環(huán)的發(fā)射,塑性形變成為主要過程,同時(shí)阻礙了裂脆性解理現(xiàn)象,而沒有觀察到位錯(cuò)發(fā)射。同時(shí)還發(fā)紋的中國煤化工首次報(bào)道了單晶現(xiàn):(001面上的解理比10面上的解理更容易發(fā)Cu往CNMHG的鞍點(diǎn)構(gòu)型及其生激活能。他們指出,在塑性晶體(如Cu)中,裂尖位2.2韌一脆轉(zhuǎn)變錯(cuò)環(huán)的均勻形核不可能是主導(dǎo)過程,而局域結(jié)構(gòu)的第3期于神等:裂紋動力學(xué)的研究進(jìn)展非均勻性,如裂尖突出部分,則可能是控制韌脆轉(zhuǎn)變行深入細(xì)致的研究的主要因素。Cao和Wang11對不同晶體取向的aFe裂紋3展望的動態(tài)擴(kuò)展過程進(jìn)行了研究結(jié)果表明,低溫時(shí)各晶定應(yīng)力條件下材料的宏觀斷裂反應(yīng)是典型的體取向的裂紋,其斷裂機(jī)制均為脆性解理擴(kuò)展,同時(shí)多尺度現(xiàn)象,與材料的強(qiáng)度直接關(guān)聯(lián),因此需要建立伴隨有裂尖附近局部的塑性形變。這與實(shí)驗(yàn)上觀察和發(fā)展材料的多尺度模型,并結(jié)合多個(gè)尺度的方法,到的aFe低溫脆性解理現(xiàn)象一致0。裂紋的脆斷如:第一原理離散變分線性標(biāo)度并行算法2和多尺行為是裂尖原子鍵破斷與不全位錯(cuò)發(fā)射及運(yùn)動相結(jié)度模型能量密度方法0等,對裂紋擴(kuò)展的物理本質(zhì)合的過程。當(dāng)溫度升為室溫時(shí),觀察到裂紋附近發(fā)進(jìn)行深入研究,實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)度的多尺度關(guān)聯(lián),對于材生大量的塑性形變,導(dǎo)致裂紋發(fā)生韌性斷裂。但不料的實(shí)際應(yīng)用與新材料的設(shè)計(jì)都具有十分重要的指同晶體取向的裂紋表現(xiàn)出的形變現(xiàn)象和斷裂機(jī)理有導(dǎo)意義。所不同。對于(010)[001]裂紋和(011)[100裂紋,參考文獻(xiàn)表現(xiàn)為連續(xù)的切變或滑移引起的韌性斷裂;對于(01)[011裂紋和(010)[101]裂紋,則表現(xiàn)為微孔]張俊善材料強(qiáng)度學(xué)[M]哈爾接:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社洞的形成,長大和聚集而引起的韌性斷裂。在低溫2004.和室溫下,都能觀察到不全位錯(cuò)的發(fā)射。納米裂紋[2]卡恩RW哈森P克雷歇EJ材料科學(xué)與技術(shù)叢書第6卷,材料的塑性變形與斷裂[M].北京:科學(xué)出版杜198完全不同的演化特征是區(qū)別脆性斷裂與韌性斷裂內(nèi)c3]Pnsr, Maroudas D, Lak, DB. Defects in heter稟特性本質(zhì)的標(biāo)志。solids-from microphysics to macrophysics [j]. Mater Sci2.3裂尖孿晶及層錯(cuò)rum,1994143:1decelisci等人早在1983年的分子動力學(xué)研究[ Rice j R. Dislocation nucleation from a crack tip,: an analysi中便已發(fā)現(xiàn)裂尖彈性孿晶的存在。隨后, Cheng和based on the peierls concept [J]. J Mech Phys Solids, 1992, 40(2):239.Yip以及H等人通過原子模擬也都觀測到了[5cHC, Schwartzman AF, Kim K S. Experimental def<111>{112}滑移系中層錯(cuò)及孿晶的生成。ion mechanics of materials from their near- atomic-resolution deMachova等人用GA勢( Finnis-Sinclair型N)對αFe裂紋進(jìn)行了I型加載的原子模擬較詳細(xì)地分6 Cosandey F, Chan S w析了裂尖區(qū)層錯(cuò)、孿晶的形成,指出<111{112}滑ergy 25 tilt boundaries in Gold [J]. Metall Trans, 1990, 21,移機(jī)理是導(dǎo)致多層孿晶形成的原因。在受外載的裂[nwMs, Baskes M L Semiempirical,antm紋體系中,3層堆垛在構(gòu)型上是不穩(wěn)定的,裂尖的應(yīng)lation of hydrogen embrittlement in metals [] Phys Rev Lett力條件必將促使3層堆垛轉(zhuǎn)變成為穩(wěn)定的多層孿1983,50:1285晶。且由于層錯(cuò)及孿晶的形成能低于全位錯(cuò)形成所8]DwMs, Baskes M I. Embedded-atom method; Derivation and需的不穩(wěn)定堆垛能,所以層錯(cuò)及孿晶將穩(wěn)定存在并application to impurities, surfaces, and other defects in metals. Phys Rev B,198429:6443.伴隨著裂紋的擴(kuò)展而擴(kuò)展。模擬結(jié)果表明在低溫[] Verlet L Computer"Experiments, on Classical Fluids..The及高應(yīng)變速率下,aFe裂紋中孿晶和斷裂是相互伴modynamical properties of lennard- Jones molecules [J]. Phys隨的過程,這與有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果-20相符。最近,HaiRev,1963,159:98和 Tadmor2采用了一種準(zhǔn)連續(xù)方法(即連續(xù)尺度10 J decals B, Argon A s, Yip S. Molecular dynamics simulation of和原子尺度相結(jié)合的方法)模擬研究了Al單晶在ack tip processes in alpha-iron and copper [J]. J Appl Phys983,54:4864外載條件下的形變過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于某種特定[11] Kohlhoff S, Gumbsch P, Fischmeister H F. Crack propagation的晶體取向和加載模式,裂尖處確實(shí)會產(chǎn)生形變孿in b. c. c crystals studied with a combined finite-element and晶,這與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一致。類似于Rce在 Peierls理omistic model [ Phil Mag, 1991, A 64:851.論框架下提出的裂尖位錯(cuò)發(fā)射的判據(jù), Tadmor012 Cheng k s yip s Brittleductile transition in intrinsic fracture也給出了裂尖處產(chǎn)生形變孿晶的判據(jù),此判據(jù)能定中國煤化工19性地符合原子模擬的結(jié)果但是,層錯(cuò)孿晶的形成3CNMHGsimulation of crack-tansition [j]. Modelling和運(yùn)動對脆性解理及脆一韌轉(zhuǎn)變究竟起著什么作用,這一問題仍未有明確的結(jié)論,還有待于進(jìn)一步進(jìn)14]cenF,Yips,etal. Atomic-scale mechanism of crack-tip plas42金屬功能材料208年ticity: dislocation nucleation and crack-tip shielding [I]. Phys6:567Rev lett;1997,79:1309[22] Machovd A, Beltz G E, Chang M. Atomistic simulation of stac-[15] Zhou S J Beazley D M, et al. Large-scale molecular dynamicsking fault formation in bec iron [] Modelling Simul Mater Scisimulations of three-dimensional ductile failure [J]. Phys RevEng,1999,7:949.Lett,1997,78:479.[23] Hull D. 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