复合材料典型缺陷与螺型位错的弹性、粘弹性与运动干涉效应

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1、硕士学位论文第1章绪论1.1研究背景及意义人类发展历史证明，材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步的里程碑。纵观人类利用材料的历史，可以清楚地看到，每一种重要材料的发现和利用，都会把人类支配和改造自然的能力提高到一个新的水平，给社会生产力和人类生活带来巨大的变化。力学与材料学科的交融发展，已将研究层次从宏观逐步深入到细观乃至微观[1]尺度。复合材料本身具有强烈的结构特性，是一种多相材料，其力学性能和破坏规律不仅取决于各组份材料的性能，同时也取决于材料的细观结构特性，如夹杂相的体积含量，分布规律，形状以及界面的性质等。从细观角度出发，采用细观力学理论和方法探讨复合材料细观特

2、征和宏观性能之间的内在联系，从更小的尺度上去揭示其损伤破坏本质，成为复合材料研究工作的一项重要内容。细观力学从产生至今已有50多年的历史，已有一些较为成熟的理论，但总体上还未能成[2]为一个完整的体系。早期的复合材料理论大多数用来预测复合材料的刚度、热物理等宏观性能，如Eshelby的等效夹杂理论、Mori-Tanaka方法、微分法、自恰理论、广义自恰理论等。事实上，尽管这些性能也依赖于材料的细观结构，对其细节并不敏感，随着复合材料，尤其是纤维、颗粒增强复合材料的发展和应用，人们愈来愈迫切地要求建立更为合理完善的理论来预测复合材料的强度、断裂韧性等有关性能。这种预测相对于其有

3、效模量的预测要复杂得多，这主要是由于复合材料的损伤及破坏取决于更为复杂的演化机理，其中包括基体开裂及扩展、界面[3]开裂、增强相断裂破碎等许多现象。复合材料细观力学迅速发展的另一动力来源与80年代中期以来增韧复合材料的广泛应用密切相关。以往将材料强韧行为的描述建立在宏观力学框架之上，虽然强度和韧性的指标可以量化，但却无法表述他们的科学依据及与材料结构的关系。正如断裂力学是由于二次世界大战期间和其后大量舰船和飞机的脆断事故中诞生一样，固体细观力学是随着复合材料的发展和广泛应用而形成的。力学与材料学科近几年的交融与结合，推动固体力学研究从宏观尺度深入到细微观尺度，使材料的细微观结

4、构设计逐步从定性走向半定量和定量阶段，并推动力学家和材料学家携手解决材料的强韧化设计这一跨学科难题。另一方面，由于先进复合材料结构复杂，价格昂贵，传统配方型设计已不能满足要求，必须对材料整体结构进行多组份设计，方能有效提高材料的强度和韧性。当前正在发展的复合材料设-1-复合材料典型缺陷与螺型位错的弹性、粘弹性及运动干涉效应计方法有：根据力学性能和组元及组织的定量关系，应用系统分析方法、细微观力学原理和计算机进行设计；传统方法和计算技术相结合，建立专家系统和用计算机模拟进行材料设计等等。随着现代高科技的迅猛发展，智能材料结构和器件广泛应用于信息技术、新材料技术和航天等高技术领域

5、，并日益显示出其巨大的优越性。多场耦合下的学科交叉成为新的学科发展前沿之一，而复合材料力学作为固体力学和材料科学的交叉学科必将融汇多场耦合的作用。研究在热、力、电、磁、声、光等耦合场作用下复合材料的变形、断裂、损伤破坏具有十分重要的意义，也是复合材料宏微观力学研究的主要领域。热、力、电、磁、声、光场的耦合问题是对功能复合材料和生物复合材料的宏微观力学研究又揭示出其特有的科学问题，在多类力场模型下共同表达热、力、电、磁、声、光的耦合作用，发展耦合场下相应的本构关系、建立畴变和相变准则，并探讨功能复合材料在耦合作用下的机电响应和失效[1]机制，如电致断裂、电致疲劳、磁致断裂、电迁

6、移引起的材料流动失稳等。1.2相关领域的研究现状在研究复合材料的强韧化机理时，位错和夹杂的相互作用是一个非常重要的课题，这是因为位错移动的阻力在相当大的程度上受到夹杂的影响。在无外力和残余应力作用的情况下，这种作用主要来自两个方面：在夹杂和基体界面上原子排列的非共格性以及界面两侧材料弹性性质的不连续性。在位错不是非常靠近界面和夹杂尺寸不是很大的情况下，上述弹性性质的不连续就是这种相互作用的主[4~7]要来源。夹杂和位错的干涉作用成为影响复合材料相关性能的一个重要因素，[8]例如复合材料中基体裂纹的萌生、夹杂对断裂性能的影响等。1.2.1复合材料中位错弹性研究现状鉴于研究位错和

7、夹杂及界面的相互干涉作用对于材料的强化和韧化机理具有十分重要的实际意义。在过去的几十年中对位错和夹杂及界面的弹性干涉问题[9]已经进行大量研究，并产生了一系列成果。Head首次研究了螺型位错和两个半空间界面的相互作用问题，分析了位错接近不同材料界面时位错力的变化，并提[8,10]出了相应的位错力吸引和排斥准则。Smith研究了无穷远纵向剪切下螺型位错与圆形弹性夹杂、刚性椭圆夹杂、椭圆孔的干涉效应问题，当位错位于x轴上[11]时，给出了位错点的干涉应力场（没有给出干涉力）。Gon和Meguid研究了椭圆弹