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大部分材料的破坏和变形一般是因为材料微观组织的变化,空位、位错、晶界和微裂纹等都可以引起材料的破坏。为了研究材料变形和破坏的特点和机理,我们应该结合宏观分析与微观分析,有必要进行多尺度分析,不仅从宏观尺度上入手,还需要从微观尺度上入手,进而找出问题的根源和材料的变形机理。现在,金属材料裂纹扩展的研究早已不再局限于宏观和介观水平,而是逐渐深入微纳米级。但是依靠我们目前的实验测量条件,人们对于材料纳米级裂纹扩展实现随时观测具有很大的挑战,因此利用计算机模拟实验就显得极为重要,应用计算机研究纳观尺度的裂纹起裂及扩展,不仅可以大大降低试验成本,而且还可以为其提供相对准确的理论指导依据。晶体相场方法(PFC)是最近十几年发展起来的一种新兴的数值计算方法,相对于其他数值计算方法,能够从原子扩散的时间尺度以及空间尺度对材料组织的微观演化进行相应的模拟。本文应用PFC方法分别研究不同温度、不同液相值、不同应变率等参数,对裂纹起裂与扩展的影响,并结合自由能分析其相关机理。此外,本文还研究了不同初始裂口的起裂及扩展情况,研究了取向角不同对裂纹起裂及扩展的影响,探究了裂纹尖端扩展行为,研究了脆性断裂扩展与韧性断裂扩展的区别,同时研究了 BDT(韧脆转变)的机理。本文的主要结论如下:1、对于不同初始裂口形状的样品而言,它们的扩展情况不同,对于两个及以上裂口的样品来说,其中一个裂口的大小及位置影响着其他裂口的起裂及扩展。2、三角形与圆形缺口的位置影响着彼此的起裂速率及扩展机制。由于裂纹尖端存在应力集中,裂纹作解理脆性扩展时,裂纹沿光滑直线扩展延伸。裂纹作韧性断裂扩展时,裂纹前端存在塑性变形区,通过发射位错引起塑性变形,位错在滑移过程中在其滑移轨道上产生空洞,空洞在拉应变作用下生长、扩大并“连通”从而产生裂纹,裂纹呈“之”字型,类似“锯齿”状。3、取向角不同,裂纹起裂及扩展机制不同。当取合适的取向角,裂纹断裂发生韧脆转变,由韧性断裂向脆性断裂转变。4、相同条件下,液相值越大,温度越高,应变率越大,裂纹起裂越早,起裂的临界应变越小,裂纹扩展速率越快,裂纹长度越长。一般情况下,低温下,裂纹脆性扩展;高温下,裂纹韧性扩展。升高温度,可以实现裂纹的韧脆转变(BDT)。本研究运用晶体相场法模拟研究纳米尺度裂纹起裂与扩展行为,并分析其内部机理,得到的以上理论结论与实验结果相符合,为材料实际应用提供了相关的预防断裂失效理论指导,对于研究裂纹扩展机制及预防材料疲劳断裂具有重要的指导意义。