铝裂纹扩展行为的晶体相场(PFC)模拟与微观机理研究

The defects of metallic materials such as crack and void, appeared in the process of manufacture and service would evolve gradually and finally result in the failure. Therefore, it is of far-reaching scientific and practical importance to study the process of crack propagation and its microscopic mechanisms. This project will study the widely used metal aluminum and perform with the latest developed phase field crystal (PFC) method by taking full advantage of diffusive time scales. Specifically, the whole processes of the nanocrack, from nucleation to propagation, until fracture failure in single crystal aluminum and polycrystalline aluminum at the atomic scale are investigated to explore the main influence factors and the laws of crack propagation behavior, and reveal the intrinsic mechanism of crack propagation in aluminum, which play a scientific guiding role in studying the fracture of metallic aluminum.

金属材料在制造和使用过程中出现的裂纹、孔洞等缺陷逐步演变会导致材料失效，因此研究裂纹扩展过程及其微观机理具有重要的科学意义和实际应用价值。本项目以具有广泛应用价值的金属铝为研究对象，采用最新发展的晶体相场(PFC)方法，充分发挥其在扩散特征时间尺度的优势，在原子尺度研究单晶铝和多晶铝中纳米裂纹从形核、扩展直至断裂失效的全过程，探究铝裂纹扩展行为的主要影响因素及其规律，揭示铝裂纹扩展的内在机理，为研究金属铝的断裂问题提供科学指导。

研究裂纹扩展过程及其微观机理具有重要的学术意义和应用价值。本项目采用晶体相场方法研究了FCC金属材料在不同条件下的裂纹扩展过程，主要研究内容和结论如下：（1）模拟了纳米裂纹分别在单轴和双轴拉伸条件下的裂纹扩展过程，得到了裂纹扩展及裂纹分叉的临界条件；模拟了位错与向错相互作用诱发的纳米Zener裂纹形核起裂的过程，分析了裂纹原子面的晶格排列特征，计算了裂纹张口宽度、裂纹扩展率和临界应变，揭示了纳米Zener裂纹形核和扩展的机理。（2）模拟了不同取向样品纳米裂纹的解理扩展过程，探究了纳米尺度解理裂纹的启动与扩展机制；模拟了不同晶格取向系统的纳米裂纹成核和扩展过程，分析了位错构型对脆性-韧性行为的影响，揭示了纳米裂纹的位错构型对裂纹韧脆转变模式影响的机理，并解释了一种混合应力强度因子作为判断脆性-韧性行为的唯象判据。（3）模拟了晶格变形过程的纳米孔洞演化及位错发射过程，观察了主裂纹前端纳米孔洞的形核与生长过程，研究了裂纹与晶界的相互作用，通过裂纹的纳米尺度应变场得到了裂纹周围的应变规律。（4）研究了高温变形条件下的纳米晶界位错的协同运动和晶粒长大机理，发现了三种形核长大模式：晶界劈裂模式、晶界位错反应模式、晶界旋转模式，其中第二种模式呈现出与常规情况不同的新现象；研究了高温变形条件下的晶界预熔化现象，观察到了预熔化区域的形貌特征、位错的湮没和增殖过程、以及位错组态的演化。研究结果将对FCC金属抗疲劳断裂、裂纹修复方面有一定理论指导作用。目前已经完成了项目的研究目标，已发表学术论文20篇，其中SCI收录论文12篇。