[科普中國]-位錯偶極子

簡介

位錯偶極子是晶體材料中常見的微觀缺陷，相對于單個位錯，位錯偶極子產(chǎn)生的應(yīng)力場很小，但對材料機械性能的影響卻不能忽略。許多學(xué)者對位錯偶極子與裂紋的干涉作用進行了研究。研究了一個螺型位錯偶極子和一條表面裂紋的交互作用，計算了裂紋尖端應(yīng)力強度因子以及作用在偶極子中心的像力和像力偶矩等重要的物理量。刃型位錯偶極子和一條半無限長裂紋的干涉效應(yīng)，位錯偶極子對裂紋尖端應(yīng)力強度因子的影響。同樣研究了刃型位錯偶極子和一條半無限長裂紋的干涉問題，給出了應(yīng)變能、作用在偶極子中心的像力和像力矩、裂紋尖端應(yīng)力強度因子等物理量的解析表達式1。

螺型位錯偶極子與圓形界面剛性線的干涉效應(yīng)在加工和制造的過程中，兩種材料界面最容易產(chǎn)生缺陷，界面裂紋和界面剛性線夾雜是兩種極端情況。研究螺型位錯偶極子和圓形夾雜界面剛性線的干涉效應(yīng)。運用復(fù)勢方法得到問題的一般解答，特別是當只有一條界面剛性線時的封閉解，在獲得了剛性線尖端的應(yīng)力強度因子的同時，通過擾動應(yīng)力場求得作用與螺旋位錯偶極子中心的像力和像力偶矩2。

分析和討論隨著偶極子方向角的變化，螺型位錯偶極子先屏蔽剛性線，后反屏蔽剛性線。在此過程中，出現(xiàn)應(yīng)力強度因子為零的臨界值，且剛性線越長（剛性線角度越大）該臨界角越小。偶極子方向角對應(yīng)力強度因子的影響很大，會改變偶極子對剛性線尖端的屏蔽效應(yīng)。值得注意的是。無論剛性線長度怎樣變化，偶極子都反屏蔽剛性線尖端。

位錯力隨方向角成周期性變化，界面剛性線排斥位錯偶極子。表示夾雜退化為圓孔，一般情況下，圓孔應(yīng)該吸引位錯偶極子；然而，由于圓孔表面存在剛性線，情況截然不同，出現(xiàn)了圓孔排斥剛性線的現(xiàn)象；另外，隨著夾雜-基體彈性模量比的增加，排斥力也越來越大。值得注意的是，在螺型位錯偶極子接近界面的過程中，如果界面不存在剛性線，則軟夾雜吸引位錯偶極子，隨著偶極子不斷接近界面，該吸引力越來越大；當界面存在較長的剛性線時，軟夾雜和界面剛性線的聯(lián)合作用表現(xiàn)為排斥螺型位錯偶極子，而當界面剛性線較短時，軟夾雜和界面剛性線先吸引后排斥偶極子，在軸上存在一個偶極子的穩(wěn)定平衡位置，該處位錯力為零。

隨著角度的增加，界面對偶極子的吸引效應(yīng)逐漸被削弱，而排斥效應(yīng)增強，最終表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)排斥。夾雜和基體為同種材料，且界面理想粘結(jié)，不存在位錯力，這點在圖中充分體現(xiàn)出來了，即位錯力為零。同時也說明，夾雜剛度小于基體剛度時，存在臨界剛性線長度，使得位錯偶極子處于平衡狀態(tài)。隨著彈性模量比的增加，界面對螺型位錯偶極子的排斥效應(yīng)不斷增強，但最終趨于穩(wěn)態(tài)值，即當剛性線達到一定長度后，與硬夾雜的效果類似。螺型位錯偶極子逆時針旋轉(zhuǎn)，且越接近界面，位錯力偶矩越大。

總結(jié)研究了螺型位錯偶極子與圓形夾雜界面剛性線的彈性干涉問題。運用復(fù)變函數(shù)方法，獲得了該問題的復(fù)勢函數(shù)封閉形式解；求得了剛性線尖端的應(yīng)力強度因子以及作用在位錯偶極子中心的像力和像力偶矩的表達式，并討論了各參數(shù)對應(yīng)力強度因子、像力、像力偶矩的影響規(guī)律。結(jié)果表明，螺旋位錯偶極子對剛性線尖端有較強的屏蔽效應(yīng)且剛性線尖端對螺旋位錯偶極子有排斥作用，因此，螺旋位錯偶極子臂的取向?qū)ε紭O子的平衡影響是非常重要的3。