在外载荷下金属材料内部微裂纹的演化

论文摘要

金属中晶内、穿晶和沿晶微裂纹的萌生、扩张、连结是导致许多化工、电力、核能等工业中高温、高压构件失效的主要诱因,也是导致微电子器件中薄膜导线失效的关键因素之一。材料内微裂纹的演化规律是材料微结构演化研究中的热点之一,具有重要的理论意义和工程应用价值。微裂纹的演化不但与材料本身密切相关而且和许多外界环境相关,例如电场、磁场、应力场等。本文则主要研究了应力场作用下金属材料中微裂纹的演化规律。首先,基于弹性理论和能量原理,从能量的角度分析了外载荷作用下晶内微裂纹的演化规律,发展了二维晶内微裂纹演化失稳临界载荷的近似解析方法。然后,建立外载荷作用下微裂纹演化模型。在Suo等人发展的模拟微结构演化有限元方法基础上,编制了能模拟表面能和应变能诱发下的表面扩散引起的微结构演化程序。最后,数值模拟了材料内部晶内、穿晶和沿晶微裂纹在外载荷作用下的演化。较详细地分析了外载对三种典型微裂纹演化分叉的影响。对于晶内微裂纹将有限元计算结果和理论分析进行比较,得出和理论预测相符的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 典型物质输运过程
• 1.2.1 蒸发—凝结机制
• 1.2.2 表面扩散机制
• 1.3 物质输运驱动力
• 1.3.1 热迁移
• 1.3.2 应力迁移
• 1.3.3 电迁移
• 1.4 微裂纹演化的研究现状
• 1.5 本文的研究思路和主要工作
• 第二章 在外载荷作用下晶内微裂纹演化的能量学分析
• 2.1 引言
• 2.2 二维晶内微裂纹演化模型
• 2.3 二维晶内微裂纹演化公式的推导
• 2.4 二维晶内微裂纹临界载荷及平衡状态近似公式
• 2.5 小结
• 第三章 表面扩散控制下弹性微结构演变的有限单元法
• 3.1 引言
• 3.2 基本理论
• 3.2.1 表面扩散下微结构演变的弱解描述
• 3.2.1.1 虚运动和质量守恒
• 3.2.1.2 表面扩散驱动力
• 3.2.1.3 动力学定律
• 3.2.1.4 表面扩散下的弱解描述
• 3.2.2 蒸发—凝结机制的弱解描述
• 3.2.3 包含蒸发—凝结和表面扩散的弱解描述
• 3.3 有限单元法
• 3.3.1 弹性问题的ANSYS 解决
• 3.3.1.1 模型建立和网格划分
• 3.3.1.2 施加载荷与求解
• 3.3.2 表面运动计算的有限元方法
• 3.3.2.1 单元控制方程
• 3.3.2.2 整体控制方程
• 3.4 有限单元法可靠性验证
• 第四章 外载荷下微裂纹演变的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 晶内微裂纹的演化
• 4.2.1 仅在表面能作用下晶内微裂纹的圆柱化
• 4.2.2 外载荷下晶内微裂纹的演化
• 4.2.2.1 等轴二向应力下晶内微裂纹的演化
• 4.2.2.2 偏向应力下晶内微裂纹的演化
• 4.3 穿晶微裂纹模型及演化
• 4.3.1 穿晶微裂纹模型
• 4.3.2 外加载荷下穿晶微裂纹的演化
• 4.4 沿晶微裂纹模型及演化
• 4.4.1 沿晶微裂纹的模型
• 4.4.2 外载荷下沿晶微裂纹的演化
• 4.5 小结
• 第五章 结论和展望
• 5.1 本文的主要工作和结论
• 5.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文