Al薄膜纳米压痕过程的多尺度模拟

采用多尺度准连续介质法分别模拟无缺陷和具有初始缺陷两种状态下,单晶Al薄膜纳米压痕初始塑性变形过程,得到载荷-位移响应曲线和应变能-位移变化曲线.研究了初始缺陷对纳米压痕过程中位错形核与发射、Peierls应力以及位错发射.临界载荷的影响.结果表明,在整个纳米压痕过程中出现了多次位错形核与发射现象,初始缺陷对第1和第3对位错的形核与发射影响较小,而对第2对位错的形核与发射具有明显的推迟作用,并伴随有裂纹扩展现象;由于初始缺陷引起薄膜材料内部严重的晶格畸变,导致系统应变能和位错运动的Peierls应力增加;裂纹扩展前,发射第2对位错需要的临界载荷增加,裂纹失稳后,位错发射需要的临界载荷下降.模拟获得的纳米硬度和Peierls应力与实验结果吻合.     

纳米压痕实验中单晶Cu初始塑性变形的准连续介质模拟

采用准连续介质方法模拟了纳米压痕实验中单晶Cu初始塑性变形过程．采用3种不同宽度的纳米尺度压头,得到了载荷压痕位移关系曲线,确定了3种不同宽度压痕下位错发射的临界载荷．临界载荷的大小与能量理论的预测结果基本一致．通过对压头下方位移场的分析,揭示了加载过程中位错形核的力学特征和微观结构特征;得到了压头下方几何必需位错密度增加的一般规律．定性地分析了卸载过程中位错的运动与湮灭．     

QUASICONTINUUM METHOD SIMULATION OF THE INITIAL PLASTIC DEFORMATION OF SINGLE CRYSTAL Cu IN NANOINDENTATION

采用准连续介质方法模拟了纳米压痕实验中单晶Cu初始塑性变形过程. 采用3种不同宽度的纳米尺度压头, 得到了载荷-压痕位移关系曲线, 确定了 3种不同宽度压痕下位错发射的临界载荷. 临界载荷的大小与能量理论的预测结果基本一致. 通过对压头下方位移场的分析, 揭示了加载过程中位错形核的力学特征和微观结构特征; 得到了压头下方几何必需位错密度增加的一般规律. 定性地分析了卸载过程中位错的运动与湮灭.     

纯Ni中氢致开裂的透射电镜原位观察

纯Ni在透射电镜（TEM）中原位拉伸时,裂纹尖端首先发射大量位错,平衡时形成无位错区,微裂纹在裂纹顶端连续形核或在无位错区中不连续形核,并且形核后将钝化成孔洞或缺口。利用特殊的恒位移加载台,可在TEM中原位研究充氢前后恒位移试样裂尖位错组态的变化。结果表明,氢能促进位错的发射、增殖和运动。和未充氢纯Ni相比,充氢试样在更低的外应力下位错就会发射和运动,当氢促进的位错发射和运动到临界条件时就会使氢致裂纹形核、扩展,导致低应力脆断。     

溶解促进位错发射,运动导致黄铜薄膜应力腐蚀的TEM原位观察

用特殊设计的恒位移加载台可以在ＴＥＭ中原位观察黄铜在纯水中局部溶解前后裂尖位错形核的变化，从而可以确定局部阳极溶解对位错发射，增殖和运动的影响，也可原位观察纳米级应力腐蚀裂纹的形核和扩展，结果表明，如用薄膜试样，黄铜在室温高纯水中能发生ＳＣＣ，在裂纹形核前，通过阳极溶解的促进作用，在低应力下就能导致位错的发射、增殖和运动，当溶解引起的位错发射，运动达到临界状态时，纳米级微裂纹就将在无位错区中不连续     

IN SITU TEM STUDY OF DISLOCATION EMISSION AND MICROCRACK NUCLEATION FOR α-Ti AFTER ADSORBING Hg

用自制的恒位移加载台,在ＴＥＭ中原位观察了α－Ｔｉ在Ｈｇ蒸汽中放置前后加载裂纹前端位错组态的变化以及脆性微裂纹的形核和扩展。并和α－Ｔｉ在ＴＥＭ中原位伸的结果进行了比较。结果表明：加载裂纹吸附Ｈｇ原子后能促进位错的发射,增殖和运动;当吸附促进位错发射和运动达到临界状态时,脆性微裂纹就在原裂纹顶端或在无位错区中形核并解理扩展。     

铝合金液体金属脆断过程的TEM原位观察

采用自制的恒位称加载台,在透射电镜（ＴＥＭ）中原位观察了７０７５铝合金吸附液体金属（Ｈｇ＋３％Ｇａ）后加载裂纹前方位错组态的变化以及脆性微裂纹的形核和扩展,结果表明：液体金属吸附后能促进位错的发射、增殖和运动;当吸附促进位错发射和运动达到临界状态时,脆性微裂纹就在原裂纹顶端或在无位错区中形核并解理扩展。     

在役焊接接头拉伸和疲劳性能的微观动力学研究

采用有限元模拟的方法,建立在役多道焊接头物理模型,获得系统的温度场信息,并以此作为沟通宏、微观模拟的桥梁,利用分子动力学的方法研究在役焊接接头分别在拉伸和疲劳载荷作用下的微观力学行为,从原子层面揭示在役焊接接头在长期服役过程中失效的微观机理。结果表明:循环加热后的体系势能分布不均匀,裂纹附近和C原子所在区域势能低,而其周围原子的势能相对较高。两种载荷加载的过程中均发生了BCC-FCC-HCP的结构转变,裂纹两端应力集中,产生位错。位错沿滑移面发射,裂纹迅速扩展形成贯穿性裂纹,导致结构失效。拉伸过程中伴随着层错现象的产生,而疲劳裂纹扩展的速度相对缓慢,未发现层错等现象。     

纳米压痕过程的多尺度模拟与Rice-Thomson位错模型分析

采用多尺度准连续介质法（简称QC方法）对单晶Ag薄膜纳米压痕过程进行模拟,研究压头宽度对纳米压痕过程中接触应力分布、位错形核临界载荷以及纳米硬度的影响,并用Rice-Thomson位错模型（简称R-T位错模型）进行分析。结果表明,纳米压痕获得的载荷-位移曲线呈现出的不连续性与位错之间的协同作用密切相关;压头尺寸对纳米压痕过程中接触应力分布、位错形核临界载荷以及纳米硬度具有明显的影响：随着压头宽度的增加,法向和切向接触应力以及纳米硬度值递减,呈现出明显的压头尺寸效应;而压头下方薄膜内位错形核临界载荷却递增,且与压头半宽度的平方根成正比。模拟结果与相应实验结果以及R-T位错模型计算结果吻合     

Fe3Al氢致开裂和应力腐蚀的TEM原位观察

利用恒位移加载台，在ＴＥＭ中原位观察了Ｆｅ３Ａｌ薄膜试样充氢和应力腐蚀前后裂尖位错组态的变化，以及位错对裂纹形核的影响。结果表明，氢能促进裂尖发射位错，促进位错的增殖和运动，并使无位错区增大，当位错发射，运动发展到临界状态时，就会导致氢致裂纹的形核与的扩展。对氢促进位错发射，增殖和运动的原因进行了探讨。     

单晶硅裂纹尖端的位错发射行为

利用透射电镜原位观察了单晶硅压痕裂纹尖端位错及位错偶沿滑移面的发射行为,考察了滑移面取向,外荷对发射位错及塑性区的影响,结果表明：在I型载荷作用下,滑移面与裂纹面夹角要影响从裂纹尖端发射的位错数量及塑性区,发射出的位错可沿最大切应力方向改变运动方向或交换滑移面运动,实验观察的位错宽度平均值为22．0nm,与Peierls位移框架模型计算的23．6nm相近。     

基于准连续方法探究双晶材料初始塑性变形行为

采用多尺度准连续介质法(简称QC方法)模拟双晶Al薄膜纳米压痕过程,研究上层膜厚度及晶界两侧晶体取向对薄膜材料屈服点的影响规律。在模型总尺寸不变的前提下,变化上层膜厚度,得到了双晶材料屈服点随上层膜厚度变化的关系曲线,通过载荷-位移曲线及其上各个特征点所对应Von Mises应变图。分析得到载荷陡降的原因是位错的形核或层错的扩展,晶界处的晶格畸变致使晶界处更易发生应变的集中,当上层膜厚度较薄时,位错易于在晶界处形核,致使其屈服点较低。     

电子束焊接Ti-6Al-4V合金接头的疲劳裂纹尖端微区形态

通过对Ti-6Al-4V合金板材预制一定深度的疲劳裂纹,研究母材与焊缝区疲劳裂纹尖端的TEM显微形态。结果表明:经历疲劳循环后,位错密度大大增加,α/β相界面位错密度高,易成为位错形核的源区;在周期性疲劳载荷的作用下,位错以源区为原点呈放射状向四周发散运动;在焊缝区马氏体板条之间的细碎相之间,位错聚集严重,说明细碎相也易成为位错萌生的源区,从而成为疲劳裂纹形核的源区;在焊缝区马氏体板条宽度越窄,位错聚集密度越高,易成为疲劳裂纹萌生的位置。此外,TEM观察证实了裂纹尖端存在一定尺寸的塑性变形区。通过焊接接头分区的TEM对比分析,获得焊缝区比母材区更易萌生疲劳裂纹的相关证据。     

重轧钢中氢促进位错发射,运动以及氢致裂纹形核

用自制的恒位移试样在ＴＥＭ中原位研究了充氢前后位错组态的变化以及氢致微裂纹形核和位错运动及无位错区（ＤＦＺ）的关系。结果表明,氢能促进位错发射、增殖和运动。当氢促进的痊错发射和运动达到临界条件时,氢致裂纹就在ＤＦＺ中或原缺口顶端形核。这个过程和空气中原位拉伸相类似,但氢的存在使得在较低的外应力下氢致裂纹就能形核。     

钝化膜应力导致不锈钢应力腐蚀

用恒位移载台，在透射电镜（TEM）中原位观察应力前后裂前方位错组态的变化以及微裂纹的形核和扩展，结果有明，310不锈钢在沸腾的25％MgCl2水溶液中应力腐蚀时腐蚀过程能促进位错发射，增殖和运动，当腐蚀促进的位错发射和运动达到临界状态时，应力腐蚀裂纹形核和扩展，测量表明，304不锈钢在沸腾MgCl2中自然腐蚀时表面钝化膜会产生一个附加拉应力，它可能是腐蚀促进位错发射和运动的原因。     

纳米Cu薄膜摩擦的桥域多尺度模拟分析

为了研究纳米材料的微观变形过程,采用桥域方法(Bridgingdomainmethod)对纳米尺度下Cu薄膜表面摩擦过程进行模拟,得到摩擦阻力和系统变形能随摩擦距离的变化曲线,摩擦过程中存在静-动摩擦转化点。微观分析表明:摩擦初期Cu薄膜变形处于弹性阶段,随压头前方原子堆积,Cu薄膜进入塑性变形阶段,直接出现4层及以上原子的稳定滑移,同时薄膜内发射出沿非摩擦方向的斜向滑移带。以中心对称系数为度量捕捉到斜向滑移带内V形位错结构的产生与演化过程,确定V形位错的运动对摩擦塑性阶段的变形释放起主导作用。此外,对位错原子数目的统计分析表明,宏观下薄膜表面摩擦阻力的多次突跳是由微观结构下不全位错向全位错的发展所致;最后定量化分析位错、孪晶等不同变形机制对总应变的贡献比重,得到摩擦过程中位错滑移原子的应变贡献比重稳定在10%左右,而孪晶迁移的应变贡献比重稳定在2.5%左右。     

黄铜中纳米级微裂纹的形核与钝化

黄铜薄膜试样在透射电镜中原位拉伸观察表明，在平衡条件下加载裂发出的位错纯化成无位错区，它是一个应变很高的异常弹性区。当缺口足够锐，外加载荷足够大时，这个非线弹性区中的应力有可能达到原子键合力，从而使纳米级微裂纹在无位错区中不连续形核，或从钝化的原裂纹顶端形核。这个微裂纹一昊形核，即使保持恒位移，也将钝化成空洞或缺口。     

310奥氏体不锈钢应力腐蚀的透射电镜原位观察

用自制的恒位移加载台，在透射电镜中原位观察310奥氏体不锈钢在纯水中局部溶解前后裂尖位错组态的变化以及微裂纹的形核和扩展。结果表明，310奥氏体不锈钢在室温纯水中局部阳极溶解能促进位错发射，增殖和运动，在低应力下，纳米级微裂纹在无位错区中连续或不连续形核，由于介质的作用，纳米级微裂纹并不钝化成空洞或缺口，而是解理扩展。     

310奥氏体不锈钢应力腐蚀的透射电镜原位观察

用自制的恒位移加载台，在透射电镜中原位观察３１０奥氏体不锈钢在纯水中局部溶解前后裂尖位错组态的变化以及微裂纹的形核和扩展。结果表明，３１０奥氏体在室温纯水中局部阳极溶解促进位错发射，增殖和运动，在低应力下，纳米级微裂纹在无位错区中连续或不连续形核，由于介质的作用，纳米级微裂纹并不钝化成空洞或缺口，而是理解扩展。     

位错和位错偶沿单─滑移系从裂纹尖端的发射

采用计算机模拟了位错和位错偶沿单一滑移系从裂纹尖端的发射,考察了滑移面取向、外加载荷、晶格摩擦力以及位错发射的临界应力强度因子对所发射的位错数量、塑性区与无位错区大小以及裂关残余应力强度因子的影响研究表明,位错从裂纹尖端发射的临界应力强度因子对无位错区的存在和其大小起决定作用,而外加载荷与晶格摩擦力主要影响位错发射的数量以及塑性区大小．在Ｉ型载荷作用下,滑移面与裂纹面的夹角越大,从裂尖发射出的位错数量越多,位错对裂纹的屏蔽效应也越大当裂纹发射位错后的残余应力强度因子仍然较大时,位错偶就有可能在裂纹尖端附近产生井沿着几个滑移面发射,但发射出的位错偶对裂纹没有明显的屏蔽作用在滑移面不垂直于裂纹面时,发射出的位错或位错偶关于裂纹面呈不对称分布