裂纹扩展与微结构演化交互作用的相场法研究

In this project, we will explore the phase field tool with the combination of theoretical analysis and experiment validation to investigate the interplay between crack propagation and microstructural evolution in typical heterogeneous materials,which include, but not limit to, layered materials with combined cracking and buckling, nacreous nanocomposites, ferroelectric materials with combined cracking and domain switching. We will focus on the effects of the long-range ineraction between defect elasticity in microstructure and stress relaxation during crack propagation on the evolution path of three dimensional cracking and morphological evolution of microstructures. Furthermore, we will reveal the competition mechanism among crack propagation, domain switching, diffusion and buckling based on thermodynamics and kinetic factors. Hopefully, our results will provide insightful figures how heterogeneous materials fail at mesoscale. They are definitely useful for materials toughening and strengthening based on microstructure engineering. In addition, our studies will promote a quantitative analysis of fractography.

本项目拟发展相场模拟手段结合理论分析和实验验证研究典型非均匀材料体系包括层状材料裂纹扩展与屈曲耦合系统、贝壳纳米复合结构系统，铁电材料畴变与裂纹耦合系统中的裂纹扩展和微结构演化的交互作用机制。重点研究裂纹扩展应力释放和微结构缺陷弹性的长程相互作用对复杂三维裂纹扩展路径和微结构演化形貌的影响，揭示裂纹扩展、畴结构翻转、扩散与非线性屈曲耦合的热力学与动力学竞争规律。所得结果将有助于在细观尺度上给出破坏过程的几何图像和演化趋势，为材料强韧化微结构工程提供新思路，为断口形貌学提供理论基础和定量分析手段。

研究裂纹扩展与微结构演化交互作用的力学规律具有重要的学术意义和工程价值。宏观断裂模型和原子模拟均难以同时考虑裂纹扩展和微结构演化的细观图像。我们致力于在相场法的框架下研究裂纹扩展与微结构演化的耦合。我们提出了相场动力学模型研究薄膜基底结构中薄膜屈曲、界面脱层和裂纹扩展协同演化，研究结果揭示了薄膜基底结构中系列非线性屈曲形貌包括电话线鼓包的演化规律，展现了薄膜裂纹与界面脱层的相互作用规律以及二维薄膜受限裂纹与三维体材料裂纹迥异的扩展行为。我们也发展了相场分析方法研究仿贝壳珍珠层结构中裂纹扩展与界面失效的交互作用，发现界面弹塑性和砖块重叠长度的变化会显著影响界面剪力分布，导致应力传递效率的下降，以及破坏模式的转变，发现了在没有砖块断裂下的两类界面失效模态：不稳定破坏与渐进稳定破坏。目前我们已在本领域知名刊物上发表了21篇论文，很好的完成了研究目标。所得研究结果不仅揭示了揭示典型非均匀材料体系中裂纹扩展与微结构演化耦合的细观力学机理，而且进一步揭示了系列仿贝壳复合材料强韧化力学的界面结构调控机制