《基於構型力理論的相變及損傷耦合時損傷演化方向研究》是依託西安交通大學，由左宏擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於構型力理論的相變及損傷耦合時損傷演化方向研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：左宏
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
損傷及其演化是影響材料韌性的主要因素。而應變誘發的相變對其影響較大。控制相變過程進而抑制損傷的演化是提高材料韌性的有效手段。然而，相變與損傷相互作用的內在機理，迄今尚不明晰。基於具體的應力場分析，難以揭示其影響的本質機理。本研究擬針對相變與損傷的耦合現象，基於熱力學框架，運用最新發展的構型力理論，研究其耦合作用的內在力學機理。具體地，考慮材料的塑性變形和缺陷及其演化對材料韌性的影響趨勢不同，將損傷區分為塑性變形型和以產生新表面為特徵的缺陷型，同時也將相變看做一類損傷。導出對應不同損傷的守恆積分。探索表征真實損傷演化的構型力表征參數。引入熱力學第二定律，推導表征損傷及其演化的構型力理論框架下的最小作用量原理。建立損傷發展方向及方式預測的構型力理論。通過這一研究，可拓展構型力理論至損傷與相變耦合的研究領域，預測材料損傷範圍及發展方向，進而對相變增韌材料的設計及其損傷壽命預測提供有效的指導。
結題摘要
損傷及其演化是影響材料韌性的主要因素。而應變誘發的相變對其影響較大。控制相變過程進而抑制損傷的演化是提高材料韌性的有效手段。本研究針對相變與損傷的耦合現象，基於熱力學框架，運用構型力理論，研究其耦合作用的內在力學機理。針對微裂紋形式的損傷，通過改變裂紋啟裂角及路徑，研究其對裂紋擴展過程中能量耗散的影響，以多晶材料為例，研究多晶矽中晶粒取向與裂紋路徑和裂紋偏轉的影響關係；考慮粘塑性材料及材料的率相關性，研究其對材料中裂紋擴展及斷裂失效的影響規律；通過研究複合材料結構中結構變化對損傷演化的影響，進一步揭示相變與損傷耦合時結構的演化規律。通過項目的研究，得到了以下重要結果：1、基於構型力理論，利用M-積分表征了粘塑性材料本構的率相關性對材料中裂紋擴展及斷裂失效的影響，構型力理論的M-積分可以作為表征粘塑性高溫合金材料損傷特徵的有效參數。2、針對材料中彌散分布的相變夾雜非均質特徵，考慮相變應變含體積膨脹應變和剪下應變兩部分，研究了含相變夾雜材料中的斷裂增韌和裂尖偏轉問題。基於材料構型力理論，引入守恆Jk-積分表征含相變夾雜非均質材料中夾雜相變與裂紋之間的干涉作用，研究發現裂尖Jk-積分是比遠場Jk-積分更有效的斷裂控制參數。基於能量釋放率公式，推導得到了判定裂紋擴展啟裂偏轉角的精確解表達式。3、針對韌性材料中裂紋擴展的能量來源問題，通過實驗定量地研究了韌性材料中彈性應變能與裂紋形成之間的關係。考慮到擴展裂紋面的不規則性及長度測量的不準確性，設計了兩種實驗方案。實驗結果表明即使對於韌性材料，在裂紋啟裂及擴展中，儘管伴隨著較大的塑性變形，但其裂紋擴展長度（面積）總是與彈性應變能線性相關，不受塑性變形或塑性耗能的影響。因此材料中的彈性應變能變化能夠成為描述韌性材料斷裂乃至損傷的一個力學參數。4、建立了損傷發展方向及方式預測的構型力理論。拓展構型力理論至損傷與相變耦合的研究領域，預測材料損傷範圍及發展方向，進而對相變增韌材料的設計及其損傷壽命預測提供有效的指導。
