第15卷第3期金屬功能材料2008年6月Metallic Functionel MaterialJune, 2008裂紋動力學的研究進展于濤,謝紅獻,杜俊平,曹莉霞,王崇愚(鋼鐵研究總院功能材料研究所北京100081)摘要:本文重點在原子層次上介紹了裂紋動力學的研究進展。宏觀斷裂反應(yīng)是典型的多尺度現(xiàn)象,需要建立和發(fā)展材料的多尺度模型和多尺度計算方法關(guān)鍵詞:裂紋動力學;研究進展;多尺度模型中圖分類號:TG1191文獻標識碼:A文章編號: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斷裂是金屬材料在使用過程中經(jīng)常遇到的實出的:有關(guān)新材料的應(yīng)用不僅要建立在了解有關(guān)設(shè)際問題,也是金屬物理學研究的重要內(nèi)容。斷裂的計與工藝要求的基礎(chǔ)上,而且也要建立在材料在變研究始于19世紀后期和20世紀初期,人們發(fā)現(xiàn)材形和斷裂過程中的行為基礎(chǔ)上(2料的實際斷裂強度遠低于其理論估計值。一般來近二、三十年來,由于實驗和計算技術(shù)的迅猛發(fā)說,工程材料的實際斷裂強度與理論斷裂強度之間展,多尺度材料模型研究逐漸成為材料物理研究中的差別都高達兩三個數(shù)量級這一事實困惑了人們新的研究熱點。而金屬材料的形變破壞或斷裂過很長時間,直到人們認識到金屬材料的力學性質(zhì)對程貫穿宏觀、介觀、微觀尺度及原子、電子層次,從原于不同層次的微觀結(jié)構(gòu)具有敏感性,也就是說,子鍵尺度到宏觀尺度跨越約107量級,是典型的多實際材料的斷裂強度的降低是由于存在于其中的缺尺度現(xiàn)象。例如,外加應(yīng)力或引入雜質(zhì)元素引起電陷所導致的。這些缺陷包括宏觀缺陷如裂紋、空穴子原子尺度下的化學鍵合變化,導致晶面解理位及微觀缺陷如位錯、晶界、相界、點缺陷等。材料中錯形核、運動、塞積等微觀變化以及空洞夾雜形微裂紋的失穩(wěn)擴展更是導致材料最終斷裂的直接原成、微裂紋擴展、晶界遷移、位錯攀移等介觀層次變因化,最終導致材料破損的宏觀結(jié)果。材料的塑性變形與斷裂是材料最基本和最重要總之,對裂紋擴展的研究一直是斷裂問題的重的力學行為因此用實驗和理論方法確定材料在某要研究內(nèi)容它由宏觀層次逐步深入到了原子和電一特定條件下發(fā)生塑性變形的微觀機制,并把微觀子的微觀層次。本文重點在原子層次上對裂紋擴展機制與宏觀可測的性能聯(lián)系起來是材料科學工作動力學研究的計算方法和進展等作一介紹者的一項極其重要的任務(wù)。正如國際著名教授J中國煤化工Schijve在1993年國際疲勞會議上所作的報告中指CNMHG作者簡介:于濤(1960-),男,高級工程師主要從事材料科學基礎(chǔ)研究.E- Mail: ytaol012345@163.cm金屬功能材料2008年1計算方法我們討論的韌性一脆性轉(zhuǎn)變是指材料由于溫度降低導致的由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔训牧W現(xiàn)國際學術(shù)界近年來取得的幾項研究成果為材料象,這是材料使用中的一個十分重要的問題。1990微觀力學行為的研究奠定了基礎(chǔ):(1)Rce·提出了年, Cheng和Yip采用鑲嵌原子勢,運用應(yīng)力邊位錯發(fā)射不穩(wěn)定堆垛能y這一固體物理參數(shù),用來界條件,模擬研究了aFe100](011)裂紋在不同溫描述裂紋尖端的位錯發(fā)射;(2)微觀實驗技術(shù)的重要度條件下的裂紋擴展狀態(tài),原子體系包含了2400到突破0,已實現(xiàn)了原子分辨率的觀察和測量,為原3000個原子。結(jié)果表明,當溫度為200K時,裂紋解子尺度微觀力學理論分析提供了實驗數(shù)據(jù);(3)鑲嵌理擴展;當溫度達到400K時,裂尖附近出現(xiàn)刃型位原子法的提出為原子多體勢理論注入了活力,錯,并且裂尖明顯張開,這都是韌性斷裂的典型特它為描述原子尺度的微觀現(xiàn)象提供了有力工具。另征。他們得出結(jié)論:脆一韌轉(zhuǎn)變發(fā)生的機制是由于外,大容量高速電子計算機的出現(xiàn),為計算微觀力學裂尖的位錯發(fā)射及對應(yīng)于裂紋取向的特殊滑移系的提供了計算工具,使大規(guī)模的計算成為可能。激活。隨后, Cheng和Yip用MD方法研究了<微觀領(lǐng)域往往研究單個粒子的行為,宏觀性質(zhì)100>110),<100>{100}和<110>{100}三種裂是大量粒子的綜合行為。解決由大量原子組成的非紋取向的aFe的韌一脆轉(zhuǎn)變行為。低溫時(200K線性多體動力學問題可采用分子動力學方法及其以下溫度),三種裂紋模型均呈現(xiàn)脆性行為,解( molecular dynamics簡稱MD方法)。MD方法能理發(fā)生于{100}或{110}平面上。當溫度升高超過韌夠準確地再現(xiàn)宏觀性質(zhì),同時又儲藏了大量的微觀脆轉(zhuǎn)變溫度時,觀察到大量的位錯發(fā)射出來,同時信息,因此,它是聯(lián)系宏觀尺度和微觀尺度的重要工伴隨著裂尖的鈍化。另外,對于<110>{100}裂紋具。目前,分子動力學方法已經(jīng)與蒙特卡羅方法一取向,還觀察到了局域結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變以及<111>{112}起成為計算機模擬的重要方法之一,并廣泛應(yīng)用于滑移系上的孿晶形變諸多領(lǐng)域的模擬研究中。1997年, Cleri等人根據(jù) Lennard-Jones勢,2研究進展用MD方法研究了包含86400個原子的f體系的裂尖塑性問題,分析了位錯形核前后在被激活滑移我們知道,晶體是由大量的原子有序排列而成面上的原子尺度的位移場與應(yīng)力場通過給出裂尖的,材料的強度來源于原子間的相互作用塑性來源附近滑移面上的應(yīng)力一位移關(guān)系,研究了位錯形核于原子間的相互運動。因此,直接從原子尺度對材過程的能量學。同時進一步闡明了由于發(fā)射位錯產(chǎn)料的微觀力學行為進行研究顯得非常重要。生的裂尖屏蔽效應(yīng),導致裂尖鈍化的機制。Zhou等2.1裂紋脆性解理人13則運用巨型并行三維MD方法模擬了3500萬decelis等人[10通過改進原子間勢并采用應(yīng)力個原子的體系,研究了原子尺度上的塑性斷裂的力邊界條件,模擬了aFe斷裂的原子過程,結(jié)果發(fā)現(xiàn),學行為。首次觀測到裂尖的位錯環(huán)發(fā)射,并指出裂0K時裂紋的不穩(wěn)定模式傾向于脆性解理,并且初始尖位錯發(fā)射的順序是建立本征韌性判據(jù)的關(guān)鍵因時沿(110面擴展隨后沿{010}面穩(wěn)定擴展。裂紋素它強烈依賴于裂尖的晶體學取向,這一觀點與以擴展時的斷裂韌度值K1≈K,且擴展過程中裂尖往的有關(guān)推測明顯不同。而 abraham等人0更是無位錯產(chǎn)生。斷裂表現(xiàn)為沿{100}解理面的完全脆對一億個原子的體系進行了三維分子動力學模擬性斷裂與實驗觀察相符。 Kohlhofj/等人(發(fā)展研究了含缺口的固體材料在拉伸狀態(tài)下的動態(tài)斷裂了一種有限元方法與原子模擬方法相結(jié)合的模型,過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn),低溫下固態(tài)稀有氣體(例如:氙)開分別用 Finnis sinclair勢和 Johnson勢研究了始時是以脆性解理的方式斷裂,當裂紋速度達到100}和{110}裂紋。他們考慮了裂紋面分別為 Rayleigh聲速的1/3時,裂尖在原子尺度上變得粗100}和{110}面,裂紋前沿沿<100>或<110>方糙,隨后發(fā)生“動態(tài)脆一韌轉(zhuǎn)變”。此時,由于大量位向的四種裂紋構(gòu)型。模擬發(fā)現(xiàn)四種裂紋模型都發(fā)生錯環(huán)的發(fā)射,塑性形變成為主要過程,同時阻礙了裂脆性解理現(xiàn)象,而沒有觀察到位錯發(fā)射。同時還發(fā)紋的中國煤化工首次報道了單晶現(xiàn):(001面上的解理比10面上的解理更容易發(fā)Cu往CNMHG的鞍點構(gòu)型及其生激活能。他們指出,在塑性晶體(如Cu)中,裂尖位2.2韌一脆轉(zhuǎn)變錯環(huán)的均勻形核不可能是主導過程,而局域結(jié)構(gòu)的第3期于神等:裂紋動力學的研究進展非均勻性,如裂尖突出部分,則可能是控制韌脆轉(zhuǎn)變行深入細致的研究的主要因素。Cao和Wang11對不同晶體取向的aFe裂紋3展望的動態(tài)擴展過程進行了研究結(jié)果表明,低溫時各晶定應(yīng)力條件下材料的宏觀斷裂反應(yīng)是典型的體取向的裂紋,其斷裂機制均為脆性解理擴展,同時多尺度現(xiàn)象,與材料的強度直接關(guān)聯(lián),因此需要建立伴隨有裂尖附近局部的塑性形變。這與實驗上觀察和發(fā)展材料的多尺度模型,并結(jié)合多個尺度的方法,到的aFe低溫脆性解理現(xiàn)象一致0。裂紋的脆斷如:第一原理離散變分線性標度并行算法2和多尺行為是裂尖原子鍵破斷與不全位錯發(fā)射及運動相結(jié)度模型能量密度方法0等,對裂紋擴展的物理本質(zhì)合的過程。當溫度升為室溫時,觀察到裂紋附近發(fā)進行深入研究,實現(xiàn)材料強度的多尺度關(guān)聯(lián),對于材生大量的塑性形變,導致裂紋發(fā)生韌性斷裂。但不料的實際應(yīng)用與新材料的設(shè)計都具有十分重要的指同晶體取向的裂紋表現(xiàn)出的形變現(xiàn)象和斷裂機理有導意義。所不同。對于(010)[001]裂紋和(011)[100裂紋,參考文獻表現(xiàn)為連續(xù)的切變或滑移引起的韌性斷裂;對于(01)[011裂紋和(010)[101]裂紋,則表現(xiàn)為微孔]張俊善材料強度學[M]哈爾接:哈爾濱工業(yè)大學出版社洞的形成,長大和聚集而引起的韌性斷裂。在低溫2004.和室溫下,都能觀察到不全位錯的發(fā)射。納米裂紋[2]卡恩RW哈森P克雷歇EJ材料科學與技術(shù)叢書第6卷,材料的塑性變形與斷裂[M].北京:科學出版杜198完全不同的演化特征是區(qū)別脆性斷裂與韌性斷裂內(nèi)c3]Pnsr, Maroudas D, Lak, DB. Defects in heter稟特性本質(zhì)的標志。solids-from microphysics to macrophysics [j]. Mater Sci2.3裂尖孿晶及層錯rum,1994143:1decelisci等人早在1983年的分子動力學研究[ Rice j R. Dislocation nucleation from a crack tip,: an analysi中便已發(fā)現(xiàn)裂尖彈性孿晶的存在。隨后, Cheng和based on the peierls concept [J]. J Mech Phys Solids, 1992, 40(2):239.Yip以及H等人通過原子模擬也都觀測到了[5cHC, Schwartzman AF, Kim K S. Experimental def<111>{112}滑移系中層錯及孿晶的生成。ion mechanics of materials from their near- atomic-resolution deMachova等人用GA勢( Finnis-Sinclair型N)對αFe裂紋進行了I型加載的原子模擬較詳細地分6 Cosandey F, Chan S w析了裂尖區(qū)層錯、孿晶的形成,指出<111{112}滑ergy 25 tilt boundaries in Gold [J]. Metall Trans, 1990, 21,移機理是導致多層孿晶形成的原因。在受外載的裂[nwMs, Baskes M L Semiempirical,antm紋體系中,3層堆垛在構(gòu)型上是不穩(wěn)定的,裂尖的應(yīng)lation of hydrogen embrittlement in metals [] Phys Rev Lett力條件必將促使3層堆垛轉(zhuǎn)變成為穩(wěn)定的多層孿1983,50:1285晶。且由于層錯及孿晶的形成能低于全位錯形成所8]DwMs, Baskes M I. Embedded-atom method; Derivation and需的不穩(wěn)定堆垛能,所以層錯及孿晶將穩(wěn)定存在并application to impurities, surfaces, and other defects in metals. Phys Rev B,198429:6443.伴隨著裂紋的擴展而擴展。模擬結(jié)果表明在低溫[] Verlet L Computer"Experiments, on Classical Fluids..The及高應(yīng)變速率下,aFe裂紋中孿晶和斷裂是相互伴modynamical properties of lennard- Jones molecules [J]. Phys隨的過程,這與有關(guān)實驗結(jié)果-20相符。最近,HaiRev,1963,159:98和 Tadmor2采用了一種準連續(xù)方法(即連續(xù)尺度10 J decals B, Argon A s, Yip S. Molecular dynamics simulation of和原子尺度相結(jié)合的方法)模擬研究了Al單晶在ack tip processes in alpha-iron and copper [J]. J Appl Phys983,54:4864外載條件下的形變過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于某種特定[11] Kohlhoff S, Gumbsch P, Fischmeister H F. Crack propagation的晶體取向和加載模式,裂尖處確實會產(chǎn)生形變孿in b. c. c crystals studied with a combined finite-element and晶,這與實驗現(xiàn)象一致。類似于Rce在 Peierls理omistic model [ Phil Mag, 1991, A 64:851.論框架下提出的裂尖位錯發(fā)射的判據(jù), Tadmor012 Cheng k s yip s Brittleductile transition in intrinsic fracture也給出了裂尖處產(chǎn)生形變孿晶的判據(jù),此判據(jù)能定中國煤化工19性地符合原子模擬的結(jié)果但是,層錯孿晶的形成3CNMHGsimulation of crack-tansition [j]. Modelling和運動對脆性解理及脆一韌轉(zhuǎn)變究竟起著什么作用,這一問題仍未有明確的結(jié)論,還有待于進一步進14]cenF,Yips,etal. Atomic-scale mechanism of crack-tip plas42金屬功能材料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裂紋的分子動力學研究[].物理學報2007,56(1):413.[27]林皎,王山鷹,王柴愚,多層次時尺度物理中并行DVM[20] Ohr SM. An electron microscope study of crack tip deformationDAC算法[]計算機研究與發(fā)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頁)圖3825℃(左)和850℃(右)時效處理的SEM圖像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參考文獻Appl Phys2000,87(9)16719[1周壽增稀土水磁材料及其應(yīng)用[M].北京冶金工業(yè)出版社5]郭朝暉潘偉等[幾稀有金屬,20027(5);552[6] Tang W, Zhang Y, et al. [J]. Journal of Applied Physics,[2]周壽增,稀土永磁材料及其應(yīng)用[M].北京:冶金工業(yè)出版社2000,87(1)1399[7] Marcos Flavio de Campos, et al. [J]. Journal of Alloys and[3]播樹明稀土永磁合金高溫相變及其應(yīng)用[M.北京:冶金工業(yè)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中國煤化工CNMHG