非晶体与面心立方理想单晶体的强度与断裂机制研究

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通常来说,提高材料的强度有两种基本策略,一种通过减少缺陷的数量来提高其强度,如拥有完整晶格、没有任何缺陷的理想单晶体,另外一种则通过提高缺陷的数量来提高其强度,如原子排部为长程无序结构的非晶合金。这两种材料作为这两种强化思想所对应的模型材料,其强度和断裂机制的深入研究对人们理解高强度材料有着重要的科学价值和实际意义。  本论文选用六种面心立方理想单晶体(Cu、Au、Ni、Pt、Al和Ir)和非晶合金这两种高强度模型材料作为研究对象,在考虑了理想单晶体断裂面上正应力的作用以及拉伸加载条件下不同断裂晶面之间的相互竞争的条件下,借助于适用于高强度材料的断裂准则,计算得到了任意加载取向下的理想拉伸强度、对应的拉伸断裂方式以及拉伸/压缩不对称性;并以非晶合金为研究对象,通过基于热力学和断裂力学等不考虑变形中间过程以及组织因素的思想,建立了断口形貌与韧性/脆性的关联,还基于量纲分析得到计算断裂能的一般公式,并借助于应变能思想,分析非晶合金韧脆转变与其强度硬度关系之间的关联。  结果发现,这六种理想晶体在<100>、<110>和<111>这三个简单加载取向上的拉伸强度均呈现为<110>加载取向的最小,<100>加载取向的次之,<111>加载取向的最大。加载取向作为外因,对这六种面心立方晶体的拉伸强度和断裂方式有所影响。而{111}<112>的剪切断裂与{110}晶面的解理断裂之间的竞争造成了这六种晶体在不同加载取向下的断裂方式有所不同。{111}晶面理想剪切强度与理想解理强度的比值τ0{111}<112>/σ0{111}对这六种晶体拉伸强度的影响主要体现在对其拉伸强度随加载取向变化上。而{111}晶面理想剪切强度与{110}晶面理想解理强度的比值τ0{111}<112>/σ0{110}则直接体现了{111}晶面剪切和{110}晶面解理两种断裂机制的竞争关系。较高的τ0{111}<112>/σ0{110}和τ0{111}<112>/σ0{11}通过降低某些加载取向的拉伸强度进而增大拉压不对称性。除了加载取向和拉伸断裂方式的影响之外,正应力效应也是影响拉压不对称性的重要因素。  剪切台阶伴随剪切带的出现而出现,在剪切带扩展过程中,弹性能的松弛是其扩展的动力,而增加的表面能以及塑性功是其阻力,三方面共同影响使剪切带存在临界状态。临界剪切台阶由剪切带扩展的阻力与动力的比值所决定,可作为描述材料剪切变形能力的参数,其值越大表明材料的剪切带越容易发生扩展,相应也就越容易发生塑性变形。非晶合金的断裂能由表面能和塑性功组成,对于延性较好的非晶合金,其塑性功较之表面能更大,其断裂能也较大,对于脆性的非晶合金而言,其表面能和塑性功差别不大,其断裂能也相应地较小。
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