裂纹动力学的研究进展

第15卷第3期金属功能材料2008年6月Metallic Functionel MaterialJune, 2008裂纹动力学的研究进展于涛,谢红献,杜俊平,曹莉霞,王崇愚(钢铁研究总院功能材料研究所北京100081)摘要:本文重点在原子层次上介绍了裂纹动力学的研究进展。宏观断裂反应是典型的多尺度现象,需要建立和发展材料的多尺度模型和多尺度计算方法关键词:裂纹动力学;研究进展;多尺度模型中图分类号:TG1191文献标识码:A文章编号:1005-8192(2008)03-0039-04Progress of Investigation on Crack DynamicsYU Tao, XIE Hong-xian, DU Jun-ping, CAO Li-xia, WANG Chong-yuDepartment of Functional Materials, Central Iron and Steel Research Institute, Beijing 100081, China)ABSTRACT: In the view of atomic size, progress in investigation on the crack dynamics has been introduced emphati-cally. The process of macroscopic fracture is a typical multiscale phenomenon. It is needed to set up and develop themultiscale materials model and corresponding calculation method.EY WORDS: crack dynamics; investigation progress; multiscale model断裂是金属材料在使用过程中经常遇到的实出的:有关新材料的应用不仅要建立在了解有关设际问题,也是金属物理学研究的重要内容。断裂的计与工艺要求的基础上,而且也要建立在材料在变研究始于19世纪后期和20世纪初期,人们发现材形和断裂过程中的行为基础上(2料的实际断裂强度远低于其理论估计值。一般来近二、三十年来,由于实验和计算技术的迅猛发说,工程材料的实际断裂强度与理论断裂强度之间展,多尺度材料模型研究逐渐成为材料物理研究中的差别都高达两三个数量级这一事实困惑了人们新的研究热点。而金属材料的形变破坏或断裂过很长时间,直到人们认识到金属材料的力学性质对程贯穿宏观、介观、微观尺度及原子、电子层次,从原于不同层次的微观结构具有敏感性,也就是说,子键尺度到宏观尺度跨越约107量级,是典型的多实际材料的断裂强度的降低是由于存在于其中的缺尺度现象。例如,外加应力或引入杂质元素引起电陷所导致的。这些缺陷包括宏观缺陷如裂纹、空穴子原子尺度下的化学键合变化,导致晶面解理位及微观缺陷如位错、晶界、相界、点缺陷等。材料中错形核、运动、塞积等微观变化以及空洞夹杂形微裂纹的失稳扩展更是导致材料最终断裂的直接原成、微裂纹扩展、晶界迁移、位错攀移等介观层次变因化,最终导致材料破损的宏观结果。材料的塑性变形与断裂是材料最基本和最重要总之,对裂纹扩展的研究一直是断裂问题的重的力学行为因此用实验和理论方法确定材料在某要研究内容它由宏观层次逐步深入到了原子和电一特定条件下发生塑性变形的微观机制,并把微观子的微观层次。本文重点在原子层次上对裂纹扩展机制与宏观可测的性能联系起来是材料科学工作动力学研究的计算方法和进展等作一介绍者的一项极其重要的任务。正如国际著名教授J中国煤化工Schijve在1993年国际疲劳会议上所作的报告中指CNMHG作者简介:于涛(1960-),男,高级工程师主要从事材料科学基础研究.E- Mail: ytaol012345@163.cm金属功能材料2008年1计算方法我们讨论的韧性一脆性转变是指材料由于温度降低导致的由韧性断裂转变为脆性断裂的力学现国际学术界近年来取得的几项研究成果为材料象,这是材料使用中的一个十分重要的问题。1990微观力学行为的研究奠定了基础:(1)Rce·提出了年, Cheng和Yip采用镶嵌原子势,运用应力边位错发射不稳定堆垛能y这一固体物理参数,用来界条件,模拟研究了aFe100](011)裂纹在不同温描述裂纹尖端的位错发射;(2)微观实验技术的重要度条件下的裂纹扩展状态,原子体系包含了2400到突破0,已实现了原子分辨率的观察和测量,为原3000个原子。结果表明,当温度为200K时,裂纹解子尺度微观力学理论分析提供了实验数据;(3)镶嵌理扩展;当温度达到400K时,裂尖附近出现刃型位原子法的提出为原子多体势理论注入了活力,错,并且裂尖明显张开,这都是韧性断裂的典型特它为描述原子尺度的微观现象提供了有力工具。另征。他们得出结论:脆一韧转变发生的机制是由于外,大容量高速电子计算机的出现,为计算微观力学裂尖的位错发射及对应于裂纹取向的特殊滑移系的提供了计算工具,使大规模的计算成为可能。激活。随后, Cheng和Yip用MD方法研究了<微观领域往往研究单个粒子的行为,宏观性质100>110),<100>{100}和<110>{100}三种裂是大量粒子的综合行为。解决由大量原子组成的非纹取向的aFe的韧一脆转变行为。低温时(200K线性多体动力学问题可采用分子动力学方法及其以下温度),三种裂纹模型均呈现脆性行为,解( molecular dynamics简称MD方法)。MD方法能理发生于{100}或{110}平面上。当温度升高超过韧够准确地再现宏观性质,同时又储藏了大量的微观脆转变温度时,观察到大量的位错发射出来,同时信息,因此,它是联系宏观尺度和微观尺度的重要工伴随着裂尖的钝化。另外,对于<110>{100}裂纹具。目前,分子动力学方法已经与蒙特卡罗方法一取向,还观察到了局域结构转变以及<111>{112}起成为计算机模拟的重要方法之一,并广泛应用于滑移系上的孪晶形变诸多领域的模拟研究中。1997年, Cleri等人根据 Lennard-Jones势,2研究进展用MD方法研究了包含86400个原子的f体系的裂尖塑性问题,分析了位错形核前后在被激活滑移我们知道,晶体是由大量的原子有序排列而成面上的原子尺度的位移场与应力场通过给出裂尖的,材料的强度来源于原子间的相互作用塑性来源附近滑移面上的应力一位移关系,研究了位错形核于原子间的相互运动。因此,直接从原子尺度对材过程的能量学。同时进一步阐明了由于发射位错产料的微观力学行为进行研究显得非常重要。生的裂尖屏蔽效应,导致裂尖钝化的机制。Zhou等2.1裂纹脆性解理人13则运用巨型并行三维MD方法模拟了3500万decelis等人[10通过改进原子间势并采用应力个原子的体系,研究了原子尺度上的塑性断裂的力边界条件,模拟了aFe断裂的原子过程,结果发现,学行为。首次观测到裂尖的位错环发射,并指出裂0K时裂纹的不稳定模式倾向于脆性解理,并且初始尖位错发射的顺序是建立本征韧性判据的关键因时沿(110面扩展随后沿{010}面稳定扩展。裂纹素它强烈依赖于裂尖的晶体学取向,这一观点与以扩展时的断裂韧度值K1≈K,且扩展过程中裂尖往的有关推测明显不同。而 abraham等人0更是无位错产生。断裂表现为沿{100}解理面的完全脆对一亿个原子的体系进行了三维分子动力学模拟性断裂与实验观察相符。 Kohlhofj/等人(发展研究了含缺口的固体材料在拉伸状态下的动态断裂了一种有限元方法与原子模拟方法相结合的模型,过程。结果发现,低温下固态稀有气体(例如:氙)开分别用 Finnis sinclair势和 Johnson势研究了始时是以脆性解理的方式断裂,当裂纹速度达到100}和{110}裂纹。他们考虑了裂纹面分别为 Rayleigh声速的1/3时,裂尖在原子尺度上变得粗100}和{110}面,裂纹前沿沿<100>或<110>方糙,随后发生“动态脆一韧转变”。此时,由于大量位向的四种裂纹构型。模拟发现四种裂纹模型都发生错环的发射,塑性形变成为主要过程,同时阻碍了裂脆性解理现象,而没有观察到位错发射。同时还发纹的中国煤化工首次报道了单晶现:(001面上的解理比10面上的解理更容易发Cu往CNMHG的鞍点构型及其生激活能。他们指出,在塑性晶体(如Cu)中,裂尖位2.2韧一脆转变错环的均匀形核不可能是主导过程,而局域结构的第3期于神等:裂纹动力学的研究进展非均匀性,如裂尖突出部分,则可能是控制韧脆转变行深入细致的研究的主要因素。Cao和Wang11对不同晶体取向的aFe裂纹3展望的动态扩展过程进行了研究结果表明,低温时各晶定应力条件下材料的宏观断裂反应是典型的体取向的裂纹,其断裂机制均为脆性解理扩展,同时多尺度现象,与材料的强度直接关联,因此需要建立伴随有裂尖附近局部的塑性形变。这与实验上观察和发展材料的多尺度模型,并结合多个尺度的方法,到的aFe低温脆性解理现象一致0。裂纹的脆断如:第一原理离散变分线性标度并行算法2和多尺行为是裂尖原子键破断与不全位错发射及运动相结度模型能量密度方法0等,对裂纹扩展的物理本质合的过程。当温度升为室温时,观察到裂纹附近发进行深入研究,实现材料强度的多尺度关联,对于材生大量的塑性形变,导致裂纹发生韧性断裂。但不料的实际应用与新材料的设计都具有十分重要的指同晶体取向的裂纹表现出的形变现象和断裂机理有导意义。所不同。对于(010)[001]裂纹和(011)[100裂纹,参考文献表现为连续的切变或滑移引起的韧性断裂;对于(01)[011裂纹和(010)[101]裂纹,则表现为微孔]张俊善材料强度学[M]哈尔接:哈尔滨工业大学出版社洞的形成,长大和聚集而引起的韧性断裂。在低温2004.和室温下,都能观察到不全位错的发射。纳米裂纹[2]卡恩RW哈森P克雷歇EJ材料科学与技术丛书第6卷,材料的塑性变形与断裂[M].北京:科学出版杜198完全不同的演化特征是区别脆性断裂与韧性断裂内c3]Pnsr, Maroudas D, Lak, DB. Defects in heter禀特性本质的标志。solids-from microphysics to macrophysics [j]. Mater Sci2.3裂尖孪晶及层错rum,1994143:1decelisci等人早在1983年的分子动力学研究[ Rice j R. Dislocation nucleation from a crack tip,: an analysi中便已发现裂尖弹性孪晶的存在。随后, Cheng和based on the peierls concept [J]. J Mech Phys Solids, 1992, 40(2):239.Yip以及H等人通过原子模拟也都观测到了[5cHC, Schwartzman AF, Kim K S. Experimental def<111>{112}滑移系中层错及孪晶的生成。ion mechanics of materials from their near- atomic-resolution deMachova等人用GA势( Finnis-Sinclair型N)对αFe裂纹进行了I型加载的原子模拟较详细地分6 Cosandey F, Chan S w析了裂尖区层错、孪晶的形成,指出<111{112}滑ergy 25 tilt boundaries in Gold [J]. Metall Trans, 1990, 21,移机理是导致多层孪晶形成的原因。在受外载的裂[nwMs, Baskes M L Semiempirical,antm纹体系中,3层堆垛在构型上是不稳定的,裂尖的应lation of hydrogen embrittlement in metals [] Phys Rev Lett力条件必将促使3层堆垛转变成为稳定的多层孪1983,50:1285晶。且由于层错及孪晶的形成能低于全位错形成所8]DwMs, Baskes M I. Embedded-atom method; Derivation and需的不稳定堆垛能,所以层错及孪晶将稳定存在并application to impurities, surfaces, and other defects in metals. Phys Rev B,198429:6443.伴随着裂纹的扩展而扩展。模拟结果表明在低温[] Verlet L Computer"Experiments, on Classical Fluids..The及高应变速率下,aFe裂纹中孪晶和断裂是相互伴modynamical properties of lennard- Jones molecules [J]. Phys随的过程,这与有关实验结果-20相符。最近,HaiRev,1963,159:98和 Tadmor2采用了一种准连续方法(即连续尺度10 J decals B, Argon A s, Yip S. Molecular dynamics simulation of和原子尺度相结合的方法)模拟研究了Al单晶在ack tip processes in alpha-iron and copper [J]. J Appl Phys983,54:4864外载条件下的形变过程。结果发现对于某种特定[11] Kohlhoff S, Gumbsch P, Fischmeister H F. Crack propagation的晶体取向和加载模式,裂尖处确实会产生形变孪in b. c. c crystals studied with a combined finite-element and晶,这与实验现象一致。类似于Rce在 Peierls理omistic model [ Phil Mag, 1991, A 64:851.论框架下提出的裂尖位错发射的判据, Tadmor012 Cheng k s yip s Brittleductile transition in intrinsic fracture也给出了裂尖处产生形变孪晶的判据,此判据能定中国煤化工19性地符合原子模拟的结果但是,层错孪晶的形成3CNMHGsimulation of crack-tansition [j]. Modelling和运动对脆性解理及脆一韧转变究竟起着什么作用,这一问题仍未有明确的结论,还有待于进一步进14]cenF,Yips,etal. Atomic-scale mechanism of crack-tip plas42金属功能材料208年ticity: dislocation nucleation and crack-tip shielding [I]. Phys6:567Rev lett;1997,79:1309[22] Machovd A, Beltz G E, Chang M. Atomistic simulation of stac-[15] Zhou S J Beazley D M, et al. Large-scale molecular dynamicsking fault formation in bec iron [] Modelling Simul Mater Scisimulations of three-dimensional ductile failure [J]. Phys RevEng,1999,7:949.Lett,1997,78:479.[23] Hull D. Twinning and fracture of single crystals of 3% silicon i-[16] Abraham F F, Schneider D, et al. Instability dynamies in three-ron []. Acta Metail, 1960,8,11dimensional fracture: An atomistic simulation [I]. J Mech Phys [24] Ogawa K. Edge dislocations dissociated in 112) planes andSolids,1997,45:1461winning mechenism of b cc. metals []]. Phil Mag, 1965,11,[17] Zhu T, Li ] Yip S. Atomistic study of dislocation loop emissionm a crack tip []. Phys Rev Lett, 2004,931025503[25] Hai S, Tadmor E B Deformation twinning at aluminum crack[18] Cao Li-xia, Wang Chong-yu. Atomistic simulation for configura-tips[]. Acta Mater, 2003, 51-117tion evolution and energetic caleulation of crack in bce iron [ [26] Tadmor E B, Hai S. A Peierls criterion for the onset of deform-J Meter Res,2006,21(10):2542.ation twinning at a crack tip []. j Mech Phys Solids, 2003, 51:[19]曹莉霞王崇愚cFe裂纹的分子动力学研究[].物理学报2007,56(1):413.[27]林皎,王山鹰,王柴愚,多层次時尺度物理中并行DVM[20] Ohr SM. An electron microscope study of crack tip deformationDAC算法[]计算机研究与发展,2007,44(10)11667.and its impact on the dislocation theory of fracture [] Mater [28] Wang Chong-yu, Zhang Xu Multiscale modeling and related hy-brid approaches [. current Opinion in Solid State &Materi-[21] Hu S Y, Ludwigals Science, 2006, 1012.nd fracture of Fe Modelling Simul Mater Sci Eng, 1998收稿日期:2008-02-20(上接第3页)图3825℃(左)和850℃(右)时效处理的SEM图像Fig 3 SEM micrograph of the thermic treatment respectively in 825C and 850Cthe new SM-TM magnetic materials for use up to 55oC[J].J参考文献Appl Phys2000,87(9)16719[1周寿增稀土水磁材料及其应用[M].北京冶金工业出版社5]郭朝晖潘伟等[几稀有金属,20027(5);552[6] Tang W, Zhang Y, et al. [J]. Journal of Applied Physics,[2]周寿增,稀土永磁材料及其应用[M].北京:冶金工业出版社2000,87(1)1399[7] Marcos Flavio de Campos, et al. [J]. Journal of Alloys and[3]播树明稀土永磁合金高温相变及其应用[M.北京:冶金工业mpounds.2004,377:121出版社,2005收稿日期:2007-09-24[4] Christina H, Chen Martin, et al. Magnetic pining strength for中国煤化工CNMHG