金屬材料在工程結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用。其在服役過程中的破壞失效直接影響著工程結(jié)構(gòu)的安全,因此如何預(yù)防破壞失效有著重要的意義。韌性斷裂是金屬材料破壞主要形式之一,其斷裂機(jī)理的研究具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價(jià)值,一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者長(zhǎng)期以來的關(guān)注。本文針對(duì)三種典型面心立方金屬的韌性斷裂進(jìn)行了研究,主要采用多尺度實(shí)驗(yàn)表征技術(shù)分析韌性斷裂全過程,同時(shí)應(yīng)用有限元方法分析應(yīng)力狀態(tài)對(duì)斷裂過程不同階段的影響。具體來說,本文將韌性斷裂分為三個(gè)階段分別進(jìn)行研究:空洞形核（nucleation）、長(zhǎng)大（growth）和匯合（coalescence）。針對(duì)三種典型面心立方金屬Al-Cu合金、單晶銅以及CrMnFeCoNi高熵合金,本文使用透射電鏡（TEM）和掃描電鏡（SEM）表征了韌性斷裂過程中空洞的形成、長(zhǎng)大和匯合,并觀測(cè)了空洞形核、長(zhǎng)大及匯合過程中伴隨的材料微觀組織變化,統(tǒng)計(jì)分析空洞形成、長(zhǎng)大和匯合的規(guī)律,并借助有限元分析方法,計(jì)算分析了韌性斷裂不同階段應(yīng)力與微觀組織變化的關(guān)系。通過將計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比,揭示了面心立方金屬因空洞引起的韌性斷裂的微觀機(jī)理。本文主要由三部分組成:（1）Al-Cu合金在復(fù)雜應(yīng)... 

【文章來源】：重慶大學(xué)重慶市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：129 頁

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

高強(qiáng)度鋼圓形缺口鋼筋韌性斷裂的現(xiàn)象學(xué)：損傷累積，宏觀裂紋萌生，裂紋擴(kuò)展和剪切裂紋形成[26]

重慶大學(xué)博士學(xué)位論文4圖1.2銅合金空洞形核（a）和第二相界面和基體脫離造成空洞形核（b）的SEM觀測(cè)圖[38]Fig1.2SEMmicrographsofdamageduringaninsitutensiletest;(a)completedecohesionoftheinterface;(b)coalescencealongsheardirections[38]圖1.3雙相鋼中的典型的空洞形成模式：（a）馬氏體斷裂形成的空洞，（b）馬氏體和鐵素體界面處形成的空洞，（c）夾雜顆粒處形成空隙[36]Fig1.3Typicalvoidnucleationindualphasesteel:(a)voidsnucleatedbymartensitefracture,(b)voidsnucleatedattheinterfacebetweenmartensiteandferrite,and(c)voidsnucleatedattheinclusions[36]除上述第二相顆粒、相界面及脆性相內(nèi)部，空洞還可能在晶粒內(nèi)部、剪切帶、晶界以及孿晶界等復(fù)雜界面處形核[39]，且不同位置的空洞形核對(duì)材料的斷裂產(chǎn)生的影響不同。Nazmy[40]等人在對(duì)冷加工后的鑄造鎳基合金進(jìn)行加載，發(fā)現(xiàn)空洞在晶粒內(nèi)及晶界處均能形核，同時(shí)Garrison[41]等人的研究也觀察到同樣的現(xiàn)象，這種形核方式促進(jìn)了韌性斷裂早期階段的進(jìn)行。對(duì)于高純度多晶金屬，由于微觀組織中各種界面作為不均勻結(jié)構(gòu)存在，這些界面往往會(huì)促進(jìn)空洞成核。如Cerreta[42]等人通過對(duì)不同晶粒尺寸的多晶銅樣品進(jìn)行沖擊試驗(yàn)就發(fā)現(xiàn)在Σ3及小角度晶界處會(huì)出現(xiàn)空洞形核。Kim[43]等人發(fā)現(xiàn)變形孿晶可以提供空洞形核的位點(diǎn)，其對(duì)納米孿晶銅進(jìn)行原位加載實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)到加載的后期隨著位錯(cuò)在孿晶界的積累和缺陷的增加，有空洞在孿晶界處形核。一些研究也發(fā)現(xiàn)剪切變形帶也可以成為空洞形核的關(guān)鍵位點(diǎn)。Torki[44]等人的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬就對(duì)剪切帶內(nèi)空洞形核對(duì)損傷過程的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)剪切帶中的材料可以發(fā)生軟化而不會(huì)增加空洞體積分?jǐn)?shù)。對(duì)于給定

重慶大學(xué)博士學(xué)位論文4圖1.2銅合金空洞形核（a）和第二相界面和基體脫離造成空洞形核（b）的SEM觀測(cè)圖[38]Fig1.2SEMmicrographsofdamageduringaninsitutensiletest;(a)completedecohesionoftheinterface;(b)coalescencealongsheardirections[38]圖1.3雙相鋼中的典型的空洞形成模式：（a）馬氏體斷裂形成的空洞，（b）馬氏體和鐵素體界面處形成的空洞，（c）夾雜顆粒處形成空隙[36]Fig1.3Typicalvoidnucleationindualphasesteel:(a)voidsnucleatedbymartensitefracture,(b)voidsnucleatedattheinterfacebetweenmartensiteandferrite,and(c)voidsnucleatedattheinclusions[36]除上述第二相顆粒、相界面及脆性相內(nèi)部，空洞還可能在晶粒內(nèi)部、剪切帶、晶界以及孿晶界等復(fù)雜界面處形核[39]，且不同位置的空洞形核對(duì)材料的斷裂產(chǎn)生的影響不同。Nazmy[40]等人在對(duì)冷加工后的鑄造鎳基合金進(jìn)行加載，發(fā)現(xiàn)空洞在晶粒內(nèi)及晶界處均能形核，同時(shí)Garrison[41]等人的研究也觀察到同樣的現(xiàn)象，這種形核方式促進(jìn)了韌性斷裂早期階段的進(jìn)行。對(duì)于高純度多晶金屬，由于微觀組織中各種界面作為不均勻結(jié)構(gòu)存在，這些界面往往會(huì)促進(jìn)空洞成核。如Cerreta[42]等人通過對(duì)不同晶粒尺寸的多晶銅樣品進(jìn)行沖擊試驗(yàn)就發(fā)現(xiàn)在Σ3及小角度晶界處會(huì)出現(xiàn)空洞形核。Kim[43]等人發(fā)現(xiàn)變形孿晶可以提供空洞形核的位點(diǎn)，其對(duì)納米孿晶銅進(jìn)行原位加載實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)到加載的后期隨著位錯(cuò)在孿晶界的積累和缺陷的增加，有空洞在孿晶界處形核。一些研究也發(fā)現(xiàn)剪切變形帶也可以成為空洞形核的關(guān)鍵位點(diǎn)。Torki[44]等人的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬就對(duì)剪切帶內(nèi)空洞形核對(duì)損傷過程的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)剪切帶中的材料可以發(fā)生軟化而不會(huì)增加空洞體積分?jǐn)?shù)。對(duì)于給定


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