晶粒尺寸对纳晶材料断裂韧性的影响-南京工业大学学报自然科学版.PDF

第３３卷第６期 南　京　工　业　大　学　学　报　（自然 科 学 版） Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．６ ２０１１年１１月 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＡＮＪＩＮＧＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｎｏｖ．２０１１ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７６２７．２０１１．０６．０１１ 晶粒尺寸对纳晶材料断裂韧性的影响 刘英光，周剑秋 （南京工业大学机械与动力工程学院，江苏 南京 ２１０００９） 摘　要：建立了一个描述在纳晶材料中特殊旋转变形对裂纹钝化的影响的晶粒相关理论模型。特殊旋转变形由裂 纹尖端的应力集中来驱动。由于特殊旋转变形导致临界裂纹强度因子增加，从而达到裂纹的钝化作用。计算了裂 纹强度因子与晶粒尺寸的关系，结果显示由于晶粒的特殊旋转变形，使临界裂纹强度因子最大增加到５０％。 关键词：纳晶材料；旋转变形；裂纹强度因子 中图分类号：ＴＢ３８１　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１６７１－７６２７（２０１１）０６－００５３－０４ Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｇｒａｉｎｓｉｚｅｏｎｆｒａｃｔｕｒｅｔｏｕｇｈｎｅｓｓｏｆｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｍａｔｅｒｉａｌｓ ＬＩＵＹｉｎｇｇｕａｎｇ，ＺＨＯＵＪｉａｎｑｉｕ （ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｇｒａｉｎｓｉｚｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｄｅｓｃｒｉｂｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｐｅｃｉａｌｒｏｔａ ｔｉｏｎａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｎｃｒａｃｋｂｌｕｎｔｉｎｇｉｎｄｅｆｏｒｍｅｄｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｒｏｔａｔｉｏｎａｌｄｅｆｏｒｍ ａｔｉｏｎｗａｓｄｒｉｖｅｎｂｙｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｎｅａｒｔｈｅｃｒａｃｋｔｉｐ．Ｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｒｏｔａｔｉｏｎａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｌｅｄｔｏ ａｎｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃｒｉｔｉｃａｌｃｒａｃｋｉｎｔｅｎｓｉｔｙｆａｃｔｏｒａｎｄｉｔｓｅｒｖｅｄａｓａｔｏｕｇｈｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｔｈｅｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆ ｃｒｉｔｉｃａｌｃｒａｃｋｉｎｔｅｎｓｉｔｙｆａｃｔｏｒｓｏｎｇｒａｉｎｓｉｚｅｗａｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｗａｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｐｅｃｉａｌ ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｌｅｄｔｏａｍａｘｉｍｕｍｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃｒｉｔｉｃａｌｃｒａｃｋｉｎｔｅｎｓｉｔｙｆａｃｔｏｒｂｙ５０％． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｃｒａｃｋｉｎｔｅｎｓｉｔｙｆａｃｔｏｒｓ 　　纳米晶材料由于其独特的力学性能而引起广泛 常发生在纳晶材料中。除此之外，计算机模拟［９－１０］ 的研究［１－２］。一般来讲，相对于粗晶材料，纳晶材料 和理论模型［１１－１２］也对旋转变形在纳晶材料塑性变 虽然具有高强度但是其延性和断裂韧性都很低，这 形过程中的重要作用提供了令人信服的证据。然 种低韧性和低延性在很大程度上影响了这种材料的 而，很少有理论研究晶粒尺寸对旋转变形的影响。 工程应用［１－２］。然而，也有实验和研究发现了纳晶 虽然以上实验和理论结果表明了旋转变形对纳晶材 材料比较高的断裂韧性和延性［３－４］。研究纳晶材料 料的断裂韧性有积极的作用，但是晶粒尺寸和旋转 的断裂韧性的基本原理对于纳晶材料的工程应用具 变形的关系没有被深入研究。 有非常重要的意义。迄今为止，人们建立了很多模 笔者将考虑特殊旋转变形对裂纹的阻止作用。 型来解释纳晶材料的高断裂韧性，大部分把这种性