开题报告胡玲玲..doc

南京工业大学
研究生学位论文
开题报告
学号:
282080706011
研究生姓名:
胡玲玲
导师:
周剑秋教授
研究方向:
纳晶材料的力学行为
论文题目:
纳晶材料微观损伤断裂演化分析与研究
学院:
机械与动力工程学院
入学时间:
2008年9月10日
开题时间:
2010年9月20日
2010年
9月
20日
填报说明
一、开题报告中必须采用计算机输入和打印。
二、开题报告为A4大小,于左侧装订成册。
三、开题报告要求摘要
开题报告的内容应包括:
1、课题的研究意义、国内外现状;
2、与本课题有关的工作积累和已有的研究工作成绩;
3、指出课题难点和拟解决的关键问题;拟采取的研究方法、技术线路、试验方案及其可行性。
4、计划进度和预期成果;
四、开题报告一式二份,研究生和学院各存档一份。
一、立论依据
纳米晶体材料是指材料特征维度尺寸至少在一维方向上处于纳米量级(100nm以下)的单相或多相晶体材料。1981年德国材料科学家Gleiter首先提出了“纳米晶体材料(Nanocrystalline Materials)”的概念,并于1984年成功用惰性气体冷凝与真空原位加压法制备出了纳米晶体块体,宣告了纳米晶体材料的诞生,开创了纳米材料和纳米科技的新时代[1]。近年来,纳米材料和纳米技术的研究异常活跃,这主要是由于纳米材料具有独特的结构和优异的性能,对纳米材料的研究不但进一步深化了人们对固体材料本质结构特征的认识,也为新一代高性能材料的设计、开发提供了材料和技术基础。其中,纳米断裂力学已成为纳米力学这一学术研究前沿中的一个研究热点。纳米断裂力学主要有两个方面,一是在裂纹尖端纳米区域上所出现的特征,如无位错区特征、纳米裂纹的萌生特征等;二是具有纳米尺度的微结构所特有的断裂行为,如纳米晶体的断裂及韧脆性转变特征、纳米薄膜夹层的高约束特征等。
随着晶粒的细化,纳米晶体材料由于其特殊的结构而表现出一些独特的性质和良好的机械性能,如高强度、高耐磨损能力及良好的塑性变形能力等,使其在电子科学、结构材料、陶瓷技术等领域有着广泛的应用和潜在的发展优势。然而,纳米晶体材料的韧性相对于普通粗晶材料而言有较大地削弱,众多实验研究显示很少超过5%[2],有的甚至低于2%[3, 4],极大地限制了纳米晶体材料的应用和发展。Koch[5]提出三种可能导致纳米晶体材料韧性削弱的原因:(1)试样制备时的缺陷:球磨法、惰性气体冷凝法、机械合金制取的纳米晶体材料容易出现氧化物、不牢靠连接等缺陷。(2)拉伸不稳定性。位错堆积机制的缺失使得变形过程不稳定,容易出现颈缩。(3)裂纹成核或者剪切不稳定性。位错在三晶交及晶界处堆积容易引起应力集中,导致裂纹和孔洞的产生,裂纹的不断产生和孔洞的长大合并最终导致了纳米晶体材料的脆性破坏,从而破坏了纳米晶体材料的高塑性。
同时,也有不少的实验报道了纳米晶体材料具有基本的拉伸延展性乃至超塑性。为了认识纳米晶体材料优异的力学性能的相关机理,对纳米晶体材料的断裂机制进行实验观察和理论研究就显得尤为重要。
二、文献综述
1. 纳晶材料的增韧机制
传统的晶格位错存储(粗晶材料的增韧机制)和变形引起的晶粒增长难以解释纳晶材料的增韧效果。纳米晶体材料的增韧机制归结起来,主要有以下几个方面:
减小晶粒尺寸能够提高单相和复合纳晶材料的韧性[6];
第二相纳米颗粒或碳纳米管的存在也有可能增强复合纳米材料的韧性[7];
晶界活动引起的蠕变过程是纳米金属材料的增韧微观机理[8];
纳晶材料的增韧应归结于晶界滑移的影响,晶界滑移引起不滑动晶界位错在三晶交处堆积,进而阻碍可滑动晶界位错通过变形的三晶交[9-11]。
特殊的旋转变形,可以释放裂纹尖端的局部应力,是纳晶材料的一种增韧机制[12]。
2. 裂纹的萌生与抑制
目前,有关纳米晶体材料的微裂纹的萌生和晶间断裂等方面的研究工作已经取得了一些进展。Ovid`ko和Sheinerman [9-11]从能量的角度探讨了三晶交处微裂纹的萌生机制,纳晶金属在晶界滑移过程中所产生的旋转位移偶极子和不滑动位错堆垛将产生十分显著的应变硬化现象。这些点很有可能会产生应力集中,为了释放三晶交处由晶界滑移所产生的不滑动位错应变能,裂纹相应地萌生了。晶界滑移和晶界扩散对微裂纹的发展有着重要的作用,如果这两种机制配合合理纳米晶体材料极有可能在室温下就具有超塑性。
如果纳晶材料在塑性变形过程中没有形成危险的应力源(高的局部应力下产生的缺陷),则相应地抑制了裂纹的产生。事实上,晶界扩散能有效地减小或完全移除向错应力以及其相关应变硬化。例如,在高温/低应变率下发生的变形中,扩散过程的作用十分重要,能有效地松弛向错应力,使纳晶材料