功能复合材料中微缺陷相互干涉机理研究

Various defects will inevitably produce in the course of manufacturing and employing of crystal materials, such as micro-cracks, inclusions or dislocations, and interactions among these defects have crucial effect on macroscopic mechanical properties of materials, especially the dislocation emission from crack tips is the key transformation between brittle and ductile. In addition, the influence of micro structures near crack tips, such as grain size and phase particles, on the crack propagation is also great. Therefore, research on the interaction between dislocations and various cracks and inclusions contributes to understand the balance stability of dislocation and the evolving trends of micro structures in the vicinity of the crack tip due to the movement of dislocation, as well as its effects on materials fracture toughness, and also can provide scientific basis for the micro structure of the composite design and damage fracture.

复合材料在制造和使用过程中不可避免地会产生微缺陷，比如裂纹、孔洞、杂质等。这些微结构和微缺陷之间的相互干涉作用，对材料的宏观力学性能有至关重要的影响，特别是材料裂纹尖端位错的发射、塞积会严重影响材料的破坏行为。本项目以实验观测结果为基础，旨在建立压电/压电磁等功能复合材料中广义位错与典型缺陷干涉的力学计算模型，运用弹性力学的复势解法，采用解析延拓、保角变换以及级数展开等获得模型的解析解，运用数值计算软件进行分析从而获得位错与各典型缺陷相互作用的干涉规律，并对解析解加以验证，从而总结和发现各种位错构型和微结构参数对应力应变场、能量场、位错像力、无位错区、裂尖张开位移、位错屏蔽效应、位错发射条件、裂纹扩展临界条件等的影响规律以及相互定量关联，为复合材料的断裂和增韧机理研究提供理论依据。

材料在制作和服役过程中会产生微裂纹、夹杂和位错等缺陷，位错从裂纹尖端的发射是材料脆韧转化的关键，位错和其它微缺陷之间的相互作用会严重地影响到材料的宏观力学性能。因此，研究材料中位错与各种形状裂纹以及夹杂的相互作用规律，有助于了解裂纹尖端位错对材料断裂韧性的影响规律，同时也可以为复合材料的微观结构设计及损伤断裂破坏分析等提供科学依据。.本项目基于实验观测结果，建立了复合材料中位错与典型缺陷的力学模型，求解了所建立模型的精确解析解；运用MATHMATICA、ORIGIN 等数值软件分析讨论了各影响参数对位错像力、应力强度因子、能量释放率等物理量的影响规律，从而揭示复合材料细微观断裂和强化机理，具体如下：.（1）建立了压电磁螺型位错与含共焦椭圆孔椭圆夹杂的磁电弹干涉模型、压电螺型位错偶极子与含界面效应纳米夹杂的干涉模型、压电双材料中螺型位错偶极子与半椭圆表面裂纹的电弹干涉效应模型。导出了广义应力应变场、位错像力、裂纹尖端的广义应力强度因子、能量释放率的解析表达式，并分析了位错位置、夹杂和裂纹形状对这些物理量的影响规律。算例结果表明：位错受到的位错力表现出与弹性材料不同的变化规律；增大电场或者减小外荷载都能抑制裂纹的持续扩展。.（2）研究了纳米复合材料中晶界滑移和迁移协同变形对界面共线直线裂纹尖端位错发射的影响规律、纳米栾晶和位错堆积对半椭圆钝裂纹尖端以及界面共线直线裂纹尖端位错发射的影响规律。采用普遍认可的位错发射准则，得到了位错发射的临界应力强度因子计算式。运用数值软件分析并讨论了纳米晶粒尺寸、界面裂纹尺寸、位错发射角、楔形向错强度等对位错发射的影响规律。分析表明：II型荷载比I型荷载更容易促进位错发射；滑移阻碍位错发射而迁移促进位错发射；界面短裂纹更易发射位错，界面长裂纹更易扩展。随晶粒尺寸的增大，临界应力强度因子随晶粒尺寸的增大而减小，存在临界晶粒尺寸使位错最易发射。.