裂尖韧脆转变行为的离散位错动力学——扩展有限元耦合算法及模拟

【作者】 梁爽； 黄敏生； 李振环；

【机构】 华中科技大学工程结构分析与安全评定湖北省重点实验室；

【摘要】 裂尖区域的韧脆转变主导了材料的断裂行为,材料中裂纹扩展的韧脆形式取决于多种因素且相应机理比较复杂,为了准确理解材料断裂行为的物理机理,增进对裂尖区域韧脆转变过程的认识是十分必要的。因其可以有效的追踪晶体中离散分布的位错的动态演化过程,离散位错动力学成为在亚微米尺度下描述材料塑性变形及其物理机制的一种有效工具。然而目前现有的离散位错算法在处理位错与裂纹,位错与微观表界面相互作用的模拟上具有一定的局限性。基于以上考虑,本文开发了基于扩展有限元的离散位错动力学算法,同时融入了基于Rice-Thomson模型的位错发射模型和法向内聚力本构模型来分别模拟裂纹尖端的动态位错发射及I型内聚力裂纹的扩展。研究了裂纹尖端的多位错发射对单晶韧性断裂过程中裂纹尖端韧脆转变行为的影响,及发射位错的局部场与裂尖场相互作用的内在物理机制。相关的算法验证及计算模拟结果表明:(1)本文提出的基于扩展有限元的离散位错算法可以在一个统一的框架中直接求解包含复杂表/界面的离散位错相关的边值问题,并可以直接获取位错在复杂微结构局部产生的相关应力场分布,且计算结果具有令人满意的精度;(2)裂尖发射的位错会在裂纹尖端产生一个局部应力场,该局部应力场的作用效果不仅可以屏蔽裂纹的扩展还会抑制裂尖后续的位错发射。位错演化过程中以上两种屏蔽效果间的竞争导致了裂纹尖端区域内位错发射和裂纹解理扩展的交替发生。因此对裂纹扩展过程中的韧脆转变行为起着至关重要的作用;(3)位错障碍等影响裂尖附近位错运动性能的因素会影响裂纹尖端区域内的位错发射--裂纹扩展复合过程从而改变裂尖韧脆转变行为。本文的离散位错模拟结果与先前的分子动力学模拟具有良好的一致性。更多还原