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NiTi合金不仅具备特殊的形状记忆效应及超弹性能,还具有高阻尼、耐腐蚀、耐磨损等优异的热力学特性,其被广泛应用于航空航天、医疗、电子机械等专业领域。同时,它的商业化程度高,在桥梁、建筑等工程领域的应用广。但在使用过程中,往往处在复杂多变的受载环境下,要求材料必须具备良好的力学性能,如良好的断裂韧性、较强的抗变形能力等。因此,为了确保在应用中的安全性和可靠性,需要深入了解NiTi合金的力学性能,尤其是对其断裂行为背后的微观机理应有更加全面的认识。针对复杂环境下材料性能的表征与预测成为当前研究的热点和难点。尽管传统实验方法可以通过断口形貌、断裂韧性等方面对材料断裂行为进行分析,但是对于裂纹尖端的应力状态、微观结构(如微裂纹、孔洞、晶体结构等)对裂纹扩展的影响机制等还认识不足。随着近年来计算机技术水平的显著提高,数值模拟方法已经成为分析材料性能的有效手段。如果能够建立一种联系材料微观机理与宏观行为的模型和方法,进而实现对材料力学性能的预测,相信这是对当前研究工作做出的创新贡献。尤其是材料的力学行为,具有尺度特性,在不同尺度下呈现不同特点。鉴于此,本文结合实验技术,提出一种多尺度的数值模拟方法,研究NiTi合金裂纹扩展过程,并对断裂性能进行分析。首先,借助分子动力学方法,在微观尺度下研究缺陷对沿晶断裂和穿晶断裂过程的影响。本文搭建四种初始缺陷类型:钝裂纹、钝裂纹和孔洞、尖裂纹以及尖裂纹和孔洞。计算沿晶断裂和穿晶断裂过程中裂纹尖端处的应力-张开位移曲线(Traction-Separation,简称T-S曲线),发现:钝裂纹模型的应力峰值最大,这说明这种情况下断裂扩展最困难。对尖裂纹而言,由于在裂纹尖端产生了应力集中,这有助于裂纹的进一步扩展。初始孔洞作为微缺陷引入后,计算的应力峰值有所降低,说明材料起裂及裂纹扩展更加容易。晶粒组织(如晶粒形貌、晶粒尺寸及织构分布等)的信息有助于解释材料断裂行为的微观机理。本文借助电子背散射衍射实验观察了NiTi合金的显微结构。结果发现:晶粒中存在织构现象,晶界中绝大部分为大角度晶界。此外晶粒尺寸分布呈现统计特征。在这些信息基础上,通过控制生成具有统计规律的泰森多边形,用于搭建符合真实晶粒尺寸分布的多晶模型,并把它嵌入到有限元中实现数值模拟。在获取微观组织后,建立有限元模型,模拟多晶NiTi合金的沿晶断裂和穿晶断裂,并分析缺陷对断裂韧性、裂纹扩展等的影响。计算临界应力强度因子(K_c)和断裂损耗能等,结果表明:微缺陷为钝裂纹时,模型临界应力强度因子越大,断裂损耗能越低,说明断裂韧性越强、裂纹抗扩展能力越好;在扩展过程中,裂纹总是沿着正应力最大的方向扩展。相比沿晶断裂,穿晶断裂时所得的K_c更大,断裂损耗能越低,这时断裂更不易发生,且裂纹呈现更崎岖弯折的特征。需要说明的是,本文借助内聚力模型中断裂界面间的应力位移关系来拟合分子动力学计算中所得的T-S曲线,获取内聚力单元参数,进而用于有限元模拟。这种研究思路结合了分子动力学方法与有限元技术,从而实现从微观到宏观的跨尺度模拟。将计算所得的K_c值与实验值进行比较,验证了这种模拟方法在预测材料断裂韧性方面的有效性。进一步分析晶粒尺寸对材料力学性质的影响。以实验统计的晶粒尺寸数据为基础,搭建二十组不同晶粒尺寸的模型,模拟多晶NiTi合金的沿晶断裂与穿晶断裂,并比较微缺陷对断裂的影响。结果发现:晶粒尺寸越小,计算所得临界应力强度因子越大,断裂损耗能更低,表明材料的断裂韧性越好。相比沿晶而言,穿晶断裂更难发生。当为钝裂纹时,断裂韧性强于尖裂纹的情况,表明尖裂纹有助于裂纹扩展。本文通过实验-分子动力学-有限元方法的混合方式,讨论微观结构(如晶粒尺寸、缺陷等)对材料断裂韧性的影响,增加了对Ni Ti合金断裂过程的认识和理解,有助于促进这类材料在工程领域的开发和应用。