开题报告-胡玲玲

PAGE1南京工业大学研究生学位论文开题报告学号：282080706011研究生姓名：胡玲玲导师：周剑秋教授研究方向：纳晶材料的力学行为论文题目：纳晶材料微观损伤断裂演化分析与研究学院：机械与动力工程学院入学时间：2008年9月10日开题时间：2010年92010年9月20日

填报说明一、开题报告中必须采用计算机输入和打印。二、开题报告为A4大小，于左侧装订成册。三、开题报告要求摘要开题报告的内容应包括：1、课题的研究意义、国内外现状；2、与本课题有关的工作积累和已有的研究工作成绩；3、指出课题难点和拟解决的关键问题；拟采取的研究方法、技术线路、试验方案及其可行性。4、计划进度和预期成果；四、开题报告一式二份，研究生和学院各存档一份。

一、立论依据纳米晶体材料是指材料特征维度尺寸至少在一维方向上处于纳米量级（100nm以下）的单相或多相晶体材料。1981年德国材料科学家Gleiter首先提出了“纳米晶体材料（NanocrystallineMaterials）”的概念，并于1984年成功用惰性气体冷凝与真空原位加压法制备出了纳米晶体块体，宣告了纳米晶体材料的诞生，开创了纳米材料和纳米科技的新时代[1]。近年来，纳米材料和纳米技术的研究异常活跃，这主要是由于纳米材料具有独特的结构和优异的性能，对纳米材料的研究不但进一步深化了人们对固体材料本质结构特征的认识，也为新一代高性能材料的设计、开发提供了材料和技术基础。其中，纳米断裂力学已成为纳米力学这一学术研究前沿中的一个研究热点。纳米断裂力学主要有两个方面，一是在裂纹尖端纳米区域上所出现的特征，如无位错区特征、纳米裂纹的萌生特征等；二是具有纳米尺度的微结构所特有的断裂行为，如纳米晶体的断裂及韧脆性转变特征、纳米薄膜夹层的高约束特征等。随着晶粒的细化，纳米晶体材料由于其特殊的结构而表现出一些独特的性质和良好的机械性能，如高强度、高耐磨损能力及良好的塑性变形能力等，使其在电子科学、结构材料、陶瓷技术等领域有着广泛的应用和潜在的发展优势。然而，纳米晶体材料的韧性相对于普通粗晶材料而言有较大地削弱，众多实验研究显示很少超过5%[2]，有的甚至低于2%[3,4]，极大地限制了纳米晶体材料的应用和发展。Koch[5]提出三种可能导致纳米晶体材料韧性削弱的原因：（1）试样制备时的缺陷：球磨法、惰性气体冷凝法、机械合金制取的纳米晶体材料容易出现氧化物、不牢靠连接等缺陷。（2）拉伸不稳定性。位错堆积机制的缺失使得变形过程不稳定，容易出现颈缩。（3）裂纹成核或者剪切不稳定性。位错在三晶交及晶界处堆积容易引起应力集中，导致裂纹和孔洞的产生，裂纹的不断产生和孔洞的长大合并最终导致了纳米晶体材料的脆性破坏，从而破坏了纳米晶体材料的高塑性。同时，也有不少的实验报道了纳米晶体材料具有基本的拉伸延展性乃至超塑性。为了认识纳米晶体材料优异的力学性能的相关机理，对纳米晶体材料的断裂机制进行实验观察和理论研究就显得尤为重要。二、文献综述1.纳晶材料的增韧机制传统的晶格位错存储（粗晶材料的增韧机制）和变形引起的晶粒增长难以解释纳晶材料的增韧效果。纳米晶体材料的增韧机制归结起来，主要有以下几个方面：减小晶粒尺寸能够提高单相和复合纳晶材料的韧性[6]；第二相纳米颗粒或碳纳米管的存在也有可能增强复合纳米材料的韧性[7]；晶界活动引起的蠕变过程是纳米金属材料的增韧微观机理[8]；纳晶材料的增韧应归结于晶界滑移的影响，晶界滑移引起不滑动晶界位错在三晶交处堆积，进而阻碍可滑动晶界位错通过变形的三晶交[9-11]。特殊的旋转变形，可以释放裂纹尖端的局部应力，是纳晶材料的一种增韧机制[12]。2.裂纹的萌生与抑制目前，有关纳米晶体材料的微裂纹的萌生和晶间断裂等方面的研究工作已经取得了一些进展。Ovid`ko和Sheinerman[9-11]从能量的角度探讨了三晶交处微裂纹的萌生机制，纳晶金属在晶界滑移过程中所产生的旋转位移偶极子和不滑动位错堆垛将产生十分显著的应变硬化现象。这些点很有可能会产生应力集中，为了释放三晶交处由晶界滑移所产生的不滑动位错应变能，裂纹相应地萌生了。晶界滑移和晶界扩散对微裂纹的发展有着重要的作用，如果这两种机制配合合理纳米晶体材料极有可能在室温下就具有超塑性。如果纳晶材料在塑性变形过程中没有形成危险的应力源（高的局部应力下产生的缺陷），则相应地抑制了裂纹的产生。事实上，晶界扩散能有效地减小或完全移除向错应力以及其相关应变硬化。例如，在高温/低应变率下发生的变形中，扩散过程的作用十分重要，能有效地松弛向错应力，使纳晶材料得到良好的塑性。晶格位错滑移、攀移进入晶界内部，在晶界湮灭或者传递使得晶界出现大量的点缺陷，这大大提高了晶界的分子扩散率[13,14]。提高的晶界扩散率对于三晶交裂纹的抑制作用有三个效果：（1）在晶界内形成位错堆积队列，头位错在三晶交处停止向前形成应力集中源可能导致裂纹形核。而位错的攀移受到扩散蠕变的控制，因此提高晶界扩散率能力对于该位错的攀移起到了释放作用。（2）由于三晶交处位错堆积，使得该处扩散能力得以提高。在这种情况下，位错堆积所引起的应力集中部分的得到释放，阻止了裂纹的产生。（3）提高的晶界扩散率提供了晶界扩散蠕变以及三晶交扩散蠕变与晶界滑移机制的竞争。3.纳晶材料孔洞演化过程的研究现状和发展趋势延性金属材料的断裂通常是微孔洞的成核，增长以及邻近孔洞间的汇合的结果。在这三个阶段中，微孔洞的增长阶段尤为重要，它控制着整个动态断裂过程，是损伤演化的主要阶段。一旦进入孔洞汇合阶段，破坏性的断裂马上就发生了。大量实验研究表明，纳米金属材料的低韧性极有可能归结于孔洞的演化过程。然而，广泛分布的孔洞的形成过程相对于最后的宏观断裂却很少被人研究，尤其是纳米金属材料受到均匀拉伸应力时孔洞的演化过程。Rice和Tracey[15]提出了孔洞增长的第一个模型,求出了嵌入在无限大的理想刚塑性固体中的球形孔洞的生长率以及它的形状改变量。至此，研究者们进行了大量的理论模型分析和数字模拟，来研究纳米金属材料的损伤断裂机理。其中Lubarda等[16],Ahn等[17]和Meyers等[18]的理论模型以及Traiviratana等[19]的动态分子模拟表明孔洞表面位错环的发射是孔洞增长的主要机理。Fischer和Antretter[20]认为孔洞的增长应归结于空位的扩散以及相关驱动力的影响。Inoue等[21]基于质量守恒定律，构建了基于扩散的孔洞生长模型。而BaeandGhosh[22]提出了一个简单的模型，有效地描述了超塑性Al-Mg合金中颗粒-基体表面外的孔洞增长情况。孔洞在界面分离之后，其增长不受界面约束并以相应的增长率随基体的塑性变形而变化：(1)其中，r是孔洞半径，是应变，是有效应力，是孔洞的表面能，是孔洞增长率因子，而是单个孔洞的体积。大部分之前所提到的孔洞增长机理只适用于材料的蠕变过程以及材料的超塑性变形[21-24]。而纳米金属材料受均匀拉伸应力下的孔洞的演化过程很少被人研究。另外，上述研究报道绝大部分侧重于研究从材料基体中的第二相粒子成核的孔洞。而事实上，大量的实验观察表明，纳米金属材料中的微孔洞通常是在塑性变形过程中从晶界及三叉晶界处成核、增长的[25-27]。纳米金属材料在均匀拉伸变形过程中的孔洞增长情况明显不同于蠕变孔洞增长模型，但与超塑性孔洞增长模型有些相似[22]。在塑性增长模型中[28]，孔洞的分布是沿着单个晶界呈规则分布的，而在本文的理论模型中，孔洞是在三叉晶界处成核的，而且一个可能的孔洞成核点远离于其它可能成核点，孔洞之间的距离比较远。所有的孔洞在一定的初始应变之后开始成核，孔洞大小呈一定的尺寸分布，且随应变的增长孔洞的间距逐渐减小。每个孔洞的成核应变也是不同的。况且，纳米材料在均匀拉伸情况下产生大的变形所需的时间远比蠕变情况下的短。在均匀拉伸塑性变形之后，一些晶粒发生大的增长；由于不均匀的晶界流动或局部不均匀的应力分布，一些纳米合金在拉伸变形过程中晶粒也会长大[29]。因为蠕变孔洞增长情况中的许多细节与均匀拉伸应变下不同，所以之前存在的模型不可以直接应用。三、研究内容3.1主要研究内容及关键技术本课题的主要研究内容包括：（1）在熟悉纳晶材料塑性变形机理及微结构的基础上，分析纳晶材料中三晶交处裂纹和孔洞的萌生机制。（2）利用能量守恒定律，建立纳晶材料三晶交裂纹的起裂模型。（3）建立纳米金属薄膜在均匀拉伸应力下的三晶交孔洞演化模型，分析晶粒尺寸，屈服应力及应变能对孔洞生长率的影响，并揭示应力松弛对孔洞生长存在的影响。本课题拟解决的关键技术有：（1）在获得纳晶材料裂纹、孔洞萌生机制的基础上，构建纳晶材料三晶交裂纹起裂的预测模型，将使本项目从分析解释纳晶材料的变形局部化力学行为上升到定量描述裂纹起裂的更高境界。它对控制纳晶材料三晶交裂纹的扩展有着重要的意义，是本项目需要研究解决的关键理论问题之一。（2）纳晶材料三晶交孔洞产生后，非常有必要在了解纳晶材料三晶交孔洞演化的基础上构建基于机理的能够反映晶粒尺寸、加载应力和应变能影响的孔洞发展的微观力学模型。该目标的实现将使我们能定量描述受多种因素影响和复杂机理决定的纳晶材料三晶交孔洞演化阶段的力学行为，也是本项目需要研究解决的关键理论问题。3.2拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析本课题基于纳晶材料三晶交孔洞与裂纹的萌生机理，利用能量守恒定律定量分析了三晶交裂纹的起裂条件，并相应计算了裂纹尖端应力场、旋转变形能、晶界滑移能和晶界扩散能。针对在均匀拉伸应力下的纳米金属薄膜三晶交处孔洞的演化情况，建立了孔洞的生长模型，并探究了应力松弛对孔洞演化情况的影响，为寻求定量设计和试制既有高强度又具备高延性的纳晶材料奠定理论基础。3.2.1纳晶材料三晶交孔洞的萌生机制目前，由于纳晶金属材料复杂的微结构，它们的力学性能的基本机理还难以琢磨。SchiøzandJacobsen[30]通过对纳晶铜的模拟发现，当晶粒大小细化到某一临界值dc时纳晶铜的变形机理由位错滑移转换为晶界协调过程。拿纳晶铜来举例说明，因为铜的堆垛层错能是78mJm-2[21]，所以晶粒的临界值（[31])约为100纳米。原则上，当纳米金属材料的晶粒大小<50纳米时，晶界活动机制极有可能是最主要的变形机理[32]。Wei等[33]和Gleither[34]认为即使在室温条件下晶界扩散和晶界滑移仍是纳晶材料的主要变形机理。纳晶镍相关实验发现在室温条件下只有极少的位错堆积[35,36].。所有的这些表明纳晶材料的变形机理不仅仅取决于晶粒大小而且与变形的条件有关（如温度）。由此可知，晶界协调机理是纳晶金属材料受均匀拉伸应力下的主要变形机理。裂纹、孔洞的萌生都主要与晶界相关活动有关，位错活动起着协调作用。3.2.2纳晶材料三晶交裂纹的起裂模型应用能量守恒定律，纳晶材料裂纹起裂过程中能量的消耗等于外力对试样所做的功，即(2)三种变量分别对应着三种机理所引起的能量耗散：旋转变形，晶界滑移和晶界扩散：(3)其中，(4)(5)(6)(7)3.2.3纳晶材料三晶交孔洞的演化模型(a)、(b)图1孔洞增长模型示意图。变量均采用柱形坐标系表达。孔洞增长率与外部应力，比值x=ρ/R和晶界扩散相关的材料参数有关,归一化的孔洞增长率为，(8)在本模型中，应力松弛机理为孔洞演化机理，如图2所示。在孔洞生长过程中孔洞周围径向应力松弛现象比较明显。图2在邻近孔洞的有效应力松弛区域d内孔洞成核是被有效抑制的，黑点表示孔洞能在此处萌生。邻近孔洞的有效应力松弛距离d为：(9)(10)参考文献[1]BirringerR,GleiterH,KleinHP,etal.Nanocrystallinematerialsanapproachtoanovelsolidstructurewithgas-likedisorder?[J].PhysLettA.1984,102(8):365~369.[2]GleiterH.Nanostructuredmaterialsbasicconceptsandmicrostructure[J].ActaMater.2000(48):1-29.[3]SwygenhovenVH,WeertmanJR.Prefacetotheviewpointseton:mechanicalpropertiesoffullydensenanocrystallinemetals[J].ScriptaMater.2003,49(7):625-627.[4]ValievRZ,AlexandrovIV,ZhuYT,etal.Paradoxofstrengthandductilityinmetalsprocessedbysevereplasticdeformation[J].JMaterRes.2002,17(1):5-8.[5]KochCC.Ductil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