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位错与复合材料增强相微结构干涉机理研究

方棋洪  
【摘要】: 位错理论在固体力学、固体物理和材料科学研究中占有十分重要的地位。位错与复合材料微结构(夹杂、界面、裂纹等)的干涉原理是其细微观力学的基本理论问题之一。对于研究材料的力学性能(强度,塑性,疲劳和断裂破坏行为等)和其他物理特性(电、磁、光学等性能)具有重要的理论意义和科学价值。 本文跨越微纳米尺度较为系统地开创性研究了复合材料中位错与含非连续界面缺陷典型夹杂的干涉效应以及位错与纳米尺度夹杂的干涉机理及其强韧化效应。以往研究位错与夹杂的干涉大多局限于粘结完好的理想界面和连续界面缺陷情形。然而,实际复合材料在生产,加工和使用过程中,不可避免会产生非连续界面缺陷,界面有限长裂纹和刚性线夹杂是两种最常见的典型情形。同时,以往研究主要集中在位错与微米级(或以上级别)夹杂的干涉。当夹杂尺寸达到纳米级时,由于强烈的界面效应和尺寸效应,位错与它们之间的交互作用机理将会发生重大改变,从而影响和改变复合材料的力学和物理性能。本文针对上述实际情形,建立了系列力学新模型,创造性运用复变函数技术,发展了一种求解复杂多连通域边值问题的有效方法,获得了系列问题的封闭形式解答。一方面在微米尺度及以上范围内,揭示了非连续界面缺陷对位错与夹杂相互干涉的影响规律。另一方面在开创性研究了纳米复合材料中位错与考虑界面效应纳米夹杂的干涉效应,发现了新的干涉机理。主要研究成果如下: 研究位错与含界面缺陷(界面裂纹和界面刚性线)夹杂的干涉效应。包括刃型位错与含界面缺陷圆形夹杂的弹性干涉;螺型位错与含界面缺陷圆形夹杂的电磁弹干涉;螺型位错与含界面缺陷椭圆夹杂的弹性和电弹性干涉。导出了位错力的解析表达式,讨论了界面缺陷的几何参数,材料失配和夹杂形状对位错平衡位置的影响规律。研究发现,刃型位错在硬夹杂和裂纹附近有一个非稳定平衡点,在软夹杂和刚性线附近有一个稳定平衡点。界面缺陷的几何尺寸存在一个临界值改变刃型位错和夹杂之间的引斥干涉规律。压电磁介质中由于力电磁耦合效应,软夹杂亦可以排斥基体中的位错。夹杂的电磁弹材料常数比相应基体常数大(小)时,界面裂纹(界面刚性线)对位错力的影响较大。硬夹杂和裂纹组合时,椭圆曲率存在一个临界值改变螺型位错上像力的方向。当位错靠近界面时,取不同的椭圆曲率,位错在夹杂附近平衡点的位置和特性会发生剧烈的变化。 研究螺型位错与含界面层和界面缺陷圆形夹杂的干涉效应。包括螺型位错与含界面层夹杂的电弹干涉;螺型位错与含界面缺陷涂层夹杂的弹性和电弹干涉。导出了位错力的精确表达式。揭示了界面层参数(厚度和材料常数)和界面缺陷几何参数对位错平衡点的影响规律。研究发现,在一定条件下,界面层可以屏蔽夹杂对基体位错的干涉;界面层可以改变夹杂和基体中位错的平衡位置和特性。当夹杂和基体电弹性常数小于(大于)相应界面层常数时,界面层中的位错有一个非稳定(稳定)平衡点。硬涂层和裂纹的组合可以削弱涂层夹杂对位错的排斥效应,且存在一个临界裂纹角度改变位错力的引斥方向;软涂层和刚性线的组合可以削弱涂层夹杂对位错的吸引效应,也存在一个临界角度改变位错力的引斥方向。裂纹和较硬涂层组合时,随着涂层厚度增加,排斥力不断增加,并存在一个临界厚度值改变位错力的引斥方向;刚性线和较软涂层组合时,随着涂层厚度增加,吸引力不断增加,也存在一个临界厚度值改变位错力的引斥方向。 研究楔型向错偶极子与圆形弹性夹杂或直线界面裂纹的干涉效应。导出了作用在向错偶极子中心的力以及裂尖应力强度因子。讨论了材料失配和裂纹长度对偶极子平衡位置的影响以及向错偶极子对裂尖应力场的屏蔽和反屏蔽效应。研究发现,在一定材料组合下,偶极子在夹杂附近有一个稳定平衡点。两种材料的弹性模量比存在一个临界值改变作用在偶极子中心像力的引斥方向。向错偶极子对裂尖应力场有强烈的屏蔽或反屏蔽效应,并且随其所在相材料硬化而变大。 研究位错(螺型和刃型位错)与纳米尺度夹杂的干涉效应,包括首次运用界面应力模型研究位错与纳米尺度夹杂的干涉及其强化效应;位错在纳米尺寸夹杂中平衡稳定性问题。导出了位错力以及干涉效应对材料临界切应力贡献的解析表达式。给出了位错在纳米夹杂中稳定存在的夹杂临界半径。研究发现,发现考虑界面效应后,纳米尺度软夹杂(硬夹杂)可以排斥(吸引)基体中位错。在夹杂含量不变时,考虑一定的界面应力条件,纳米夹杂半径存在一个最优值使位错与夹杂干涉对纳米复合材料临界切应力的贡献达最大值;在夹杂尺寸不变时,也存在一个临界夹杂含量使干涉对材料临界切应力的贡献最大。若夹杂半径不变,存在一个临界基体弹性切模量改变位错在夹杂中的稳定性;界面应力不仅能改变螺型位错在纳米夹杂中的稳定性,而且能改变夹杂临界半径的大小。 研究了螺型位错与考虑界面效应涂层纳米夹杂干涉以及螺型位错与多个纳米夹杂的干涉问题,得到了位错力的相应解析表达式。研究发现,当位错靠近涂层纳米夹杂时,界面应力的大小和方向,强烈影响位错的平衡位置,且涂层越薄影响越大。在一定条件下,考虑界面效应的纳米尺度硬涂层夹杂可以韧化复合材料,而考虑界面效应的纳米尺度软涂层夹杂亦可以强化复合材料。多个纳米夹杂作用在位错上的排斥力或吸引力要比单个纳米夹杂小。邻近位错的位置和Burgers矢量方向对指定位错在夹杂附近的平衡点影响很大。


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