韧性材料微裂纹扩展与分叉晶体相场模拟.pdfVIP

第 31卷 第 4期 计 算 物 理 Vo1．31．No．4 2014年7月 CHINESEJOURNALOFCOMPUTATIONALPHYSICS Ju1．，2014 文章编号：1001—246X(2014)04．0471-08 韧性材料的微裂纹扩展与分叉的晶体相场模拟 高英俊 ， 罗志荣 ， 邓芊芊 ， 黄礼琳 ， 林 葵 (1．广西大学广西有色金属及特色材料加工重点实验室 ，南宁 530004； 2．广西大学物理科学与工程技术学院，南宁 530004) 摘 要：采用晶体相场方法研究韧性单晶材料在双轴拉伸条件下微裂纹扩展与分叉的演化过程，分析应变、温度、 初始裂 口形状等因素对裂纹扩展和分叉的影响．结果表明：对于简单的单向拉伸，应变需要达到一定的临界值，裂 纹扩展才会启动．对于二组相互垂直的双轴拉伸作用，当应变达到临界值后，裂纹扩展过程中会发生分叉现象．温 度越高，裂纹扩展越快且分叉越多．裂纹在扩展过程中，体系能量不断降低 ，当裂纹出现分叉时，体系能量降低得更 快．在裂纹扩展过程中，有时是会在裂尖处前方出现微小的空洞，类似在裂纹尖端前方出现位错发射情况，这些微 小的空洞逐渐扩大连成裂纹．本文所得结果与相关模拟结果和实验结果符合． 关键词：晶体相场方法；微裂纹扩展；应变；韧性材料 中图分类号 ：TG111．5 文献标志码 ：A 0 引言 材料在介观和宏观尺度上的性能在很大程度上由其 内部 的微观缺 陷，例如 ，空位、空洞 、位错、晶界和微 裂纹所决定．这些缺陷起因于在原子尺度发生的复杂非平衡动力学过程．就 目前所采用的多尺度模拟方法来 说 ，对这些微观特征结构的实时演化过程 的建模和模拟是一个重大挑战．相场方法是当今研究微观结构演化 的强有力 的数值计算方法 ¨I2]．传统 的相场方法 一¨是建立在平衡态均匀场的基础上的，忽略了许多 由原子 的周期排列结构产生的物理特性，难 以反映晶体学结构特性 以及原子尺度 的行为信息，因而无法从根本上阐 明微观组织演化过程中原子尺度上的动力学机理．虽然 ，目前可用分子动力学方法 模拟预测这些微结构 演化动力学过程 ，且能准确地描述这些现象，但该方法适用的特征时间尺度主要在原子振动时间尺度 (10 到 10。秒)，不易拓展到扩散时间尺度 (10“秒)，并且 ，分子动力学要求加载的应变率很大，通常达到 10 ～ 10 s～，与实际工业的应变速度 10 s 相差甚远 。’“．最近 ，Elder等 卜”基于密度泛函理论提出了晶体相 场 (phase—field．crystal，PFC)模型．该模型给出了新 的 自由能函数形式 ，引入的序参量为局域密度场 ，它将无 序相(例如液相等)的密度场定义为一常数，将固相的密度场表示成周期性函数 (波)的形式，进而通过周期 的原子密度函数表现晶体的晶格结构．这样 的周期结构的密度场就很 自然地与弹性效应、晶粒取向和位错的 运动等 由周期结构产生的物理特性紧密地关联起来 ¨．PFC模型既可 以描述晶体学结构特性以及原子尺度 的行为 ，又可以揭示时间尺度为 10 秒量级 的原子、缺陷运动的行为特征．由此可 以预见 ，PFC方法在今后 的微结构演化的研究中将展现其强大的优势，能够广泛地应用到材料微结构研究的各个领域 ，为研究原子尺 度组织结构的 10 秒量级 的行为特征 ，例如研究晶体 内部 的空位、位错 的运动、晶界的迁移和微裂纹扩展及 其对材料宏观性能的影响，提供先进和强有力的计算方法． 目前 ，PFC方法已经有一些具体的应用 ，例如 ，模拟位错滑移和攀移 ¨。。、相结构转变 ¨、异质外延生 长 ¨引、纳米晶粒长大 161等．PFC方法必威体育精装版的研究前沿和发展方 向H 之一主要集 中在 ：将加工变形 的外界 作用因素引入 PFC模型中，建立形变和位错动力学的PFC模型，用于超塑性、疲劳、断裂、蠕变等行为和性能 的机理研究．尽管传统相场法和其它方法对材料的裂纹扩展研究已有较多的报道 ”，但是应用先进的 收稿 日期：2013—08—21；修 回日期：2013—11—25 基金项目：国家 自然科学基金 ；广西 自然科学基金重点项 目(201