广义位错与纳米显微结构温度依赖相互作用机理研究

高温环境下纳米结构材料中广义位错（含向错、扭错）与纳米显微结构（夹杂、裂纹、界面等）的交互作用受到尺度效应与温度效应的强烈影响，综合研究其相互作用机理，对于全面揭示该类材料的强韧化机理和破坏机制具有重要理论意义和科学价值。本项目采用理论分析与实验观测有机结合的方式，建立综合考虑位错、扩散与尺度效应的连续介质力学模型，研究各类构型位错与纳米尺度复杂裂纹/夹杂温度依赖和尺度依赖交互作用的应力场（含扩散应力）、能量场、位错力、化学力、无位错区、裂尖塑性区和张开位移、位错屏蔽效应、位错发射临界条件、裂纹扩展临界条件和材料临界切应力等物理量和物理现象；进一步研究各种纳米显微结构参量以及环境条件（温度和力）与材料高温强韧度之间的定量关联。研究位错在裂尖和界面附近的平衡稳定性和位错运动带来的显微结构演变趋势及其与材料高温断裂韧性与强韧度的关系。为高温材料的纳米显微结构设计、加工和破坏预防提供科学依据。

高温环境下纳米结构材料中广义位错（含向错、扭错）与纳米显微结构（夹杂、裂纹、界面等）的交互作用受到尺度效应与温度效应的强烈影响，综合研究其相互作用机理，对于全面揭示该类材料的强韧化机理和破坏机制具有重要理论意义和科学价值。本项目采用理论分析与实验观测有机结合的方式，建立综合考虑位错、扩散与尺度效应的连续介质力学模型，研究了各类构型位错与纳米尺度复杂裂纹/夹杂温度依赖和尺度依赖交互作用的应力场（含扩散应力）、能量场、位错力、化学力、无位错区、裂尖塑性区和张开位移、位错屏蔽效应、位错发射临界条件、裂纹扩展临界条件和材料临界切应力等物理量和物理现象；研究了各种纳米显微结构参量以及环境条件（温度和力）与材料高温强韧度之间的定量关联。重要的研究成果如下，1）建立了化学力驱动下扩展位错攀移协助高温蠕变机制，基于化学应力效应研究了在薄板中位错和高温蠕变之间的关系，求解出扩展割阶束集的临界应力及对蠕变速率的影响的精确表达式。结果表明，随着堆垛层错能（SFE）减少扩展割阶束集的临界浓度（化学应力）随之增加。但随SFE、角度（伯格斯矢量与位错线）和 扩散原子浓度的增加，蠕变更容易发生。2) 研究了半平面表面附近集中力、点热源、裂纹与刃型位错之间的干涉作用。计算出边缘裂纹尖端的应力强度因子和作用在刃型位错的位错力。详细研究了集中力、点热源和刃型位错对裂纹的屏蔽与反屏蔽作用以及作用于刃型位错的滑移力与攀移力的影响规律。同时，研究了半无限平面中位错与纳米尺度夹杂的交互作用，揭示了纳米尺度夹杂和表面对位错平衡位置的耦合影响规律。3) 基于理论模型研究了在恒流或恒电势锂离子嵌入嵌出扩散诱发应力与位错诱发应力的耦合作用对圆柱锂电池电极内的裂纹形核和扩展的影响。上述研究成果为高温材料的纳米显微结构设计、加工和破坏预防提供了科学依据。