金属材料氢致断裂行为及其位错动力学机理的多尺度研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11902119
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    27.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0805.微纳米力学与多尺度力学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

As the smallest atom in nature, hydrogen can enter the interior of the material easily and be trapped by defects such as dislocations and grain boundaries or be adsorbed by the inner and outer surfaces, resulting in a significant decrease in the mechanical properties of the material, causing sudden breakage. Hydrogen-induced fracture of materials involves both hydrogen diffusion, trapping and transport, as well as complex physical processes such as hydrogen enhanced localized plasticity, adsorption induced dislocation emission, and hydrogen enhanced decohesion. It is the cross frontier of solid mechanics and materials science, which has important research significance and potential engineering application prospects. This project intends to carry out in-depth and systematic research on the hydrogen-induced fracture process and its physical mechanism in metals through the combination of microscopic experiments, theoretical analysis and multi-scale simulation. Firstly, it reveals the effects of hydrogen on long-range and short-range interaction to dislocations. Hydrogen induced crack tip dislocation emission and hydrogen induced crack debonding expansion mechanism are further studied to develop the discrete dislocation evolution model, dislocation emission model and crack debonding propagation model affected by hydrogen. Then, based on extended finite element method, the coupling dynamics algorithm and program simulating crack propagation and discrete dislocation evolution is developped. On this basis, hydrogen induced fracture processes in several typical metal are simulated, the model, algorithm and program are verified, and the hydrogen induced fracture mechanism of the material under different conditions is revealed. The research of this project will provide theoretical and technical support for the analysis of hydrogen-induced fracture behavior, which is a common problem in engineering applications.
作为自然界最小的原子,氢极易进入材料内部被位错、晶界等缺陷捕捉,也易被内外表面吸附,导致材料力学性能显著降低,引起突发性断裂。材料氢致断裂问题既涉及氢的扩散、捕捉和输运,也涉及氢致塑性变形、裂尖位错发射、裂纹扩展等复杂物理过程,是固体力学与材料学的交叉前沿,具有重要研究意义和潜在工程应用前景。本项目拟通过微细观实验、理论分析和多尺度模拟等方法的有机结合,对金属氢致断裂过程及其物理机理开展深入、系统的研究:首先,揭示氢对位错间长程及短程作用、氢致裂尖位错发射、氢致裂纹脱粘扩展的机理,发展受氢影响的离散位错演化、位错发射和裂纹脱粘开裂模型;然后,基于扩展有限元方法,发展模拟裂纹扩展和离散位错演化的耦合动力学算法及程序;在此基础上,对几种典型金属氢致断裂过程进行模拟,验证模型、算法和程序,并揭示材料在不同条件下的氢致断裂机理。本项目的研究,将为工程中常见的氢致断裂行为的分析提供理论和技术支撑。

结项摘要

金属材料的氢脆失效发生在腐蚀的极端服役环境,严重威胁材料及结构的安全,是国民经济和国防工业中常见的关键科学问题,制约着我国在相关领域的技术进步。同时,它又涉及“环境断裂过程中多维缺陷间复杂的相互作用”这一力学和材料、物理的交叉前沿问题,具有重要的学术价值和深远的科学意义。本项目以 “材料氢致断裂行为及其内在变形机理的定量表征”这一关键基础科学问题为导向,通过微细观试验结合理论分析与多尺度模拟研究,揭示了氢致断裂过程的位错机理,并建立了氢环境下材料内部微缺陷演化与宏观断裂行为间的内在关联。首先,在微观尺度上采用分子动力学模拟,深入研究了氢与材料内部多维缺陷(空位、位错、晶界、裂纹)间的相互作用规律并提炼了相应的定量表征模型,为“升尺度”模拟提供了底层原子尺度的力学信息;其次,在细观缺陷尺度上,建立了基于扩展有限元的界面断裂行为离散位错动力学算法框架,通过融入氢的扩散动力学模块与多维缺陷相互作用介观模型,搭建了氢致断裂行为的离散位错动力学模拟程序,实现了氢致断裂过程中多种氢脆机制的协同作用研究;最后,为了深入揭示金属氢致断裂行为中材料内部缺陷演化过程的影响,通过开展多晶纯镍含氢试样的介观尺度离散位错模拟及低应变率下的微拉伸实验并结合SEM、EBSD、XRD等表征分析,详细揭示了以晶粒尺寸为代表的晶体微结构及以初始位错密度为代表的缺陷微结构对氢致断裂行为的影响及其作用机理,同时进一步验证了本项目发展的氢致断裂行为离散位错动力学模拟算法及程序的准确性。上述研究成果揭示了氢致材料断裂的细观过程及位错机理,丰富了人们对氢致断裂现象的认识。同时,不仅对“升尺度”构建晶体塑性有限元本构模型奠定了基础,还可以为不同晶体结构下金属材料的氢脆防护及改良设计提供物理基础和理论依据。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
An atomistically-informed phase-field model for quantifying the effect of hydrogen on the evolution of dislocations in FCC metals
一种原子相场模型,用于量化氢对 FCC 金属位错演化的影响
  • DOI:
    10.1016/j.ijplas.2021.102937
  • 发表时间:
    2021-03
  • 期刊:
    International Journal of Plasticity
  • 影响因子:
    9.8
  • 作者:
    Zheng Zhouqi;Chen Jiawei;Zhu Yaxin;Zhao Lv;Huang Minsheng;Liang Shuang;Li Zhenhuan
  • 通讯作者:
    Li Zhenhuan
Effect of multiple hydrogen embrittlement mechanisms on crack propagation behavior of FCC metals: Competition vs. synergy
多种氢脆机制对 FCC 金属裂纹扩展行为的影响:竞争与协同
  • DOI:
    10.1016/j.ijplas.2021.103023
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    International Journal of Plasticity
  • 影响因子:
    9.8
  • 作者:
    Shuang Liang;Minsheng Huang;Lv Zhao;Yaxin Zhu;Zhenhuan Li
  • 通讯作者:
    Zhenhuan Li
Key role of interaction between dislocations and hydrogen-vacancy complexes in hydrogen embrittlement of aluminum: discrete dislocation plasticity analysis
位错和氢空位复合物之间的相互作用在铝氢脆中的关键作用:离散位错塑性分析
  • DOI:
    10.1088/1361-651x/ac095e
  • 发表时间:
    2021-09
  • 期刊:
    Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering
  • 影响因子:
    1.8
  • 作者:
    Liang Shuang;Zhu Yaxin;Huang Minsheng;Zhao Lv;Li Zhenhuan
  • 通讯作者:
    Li Zhenhuan
Thermal effects on interaction of solute atmosphere with a spherical void in three-dimensional elastic solid: Statistical mechanics description with Monte Carlo simulation
三维弹性固体中溶质气氛与球形空隙相互作用的热效应:蒙特卡罗模拟的统计力学描述
  • DOI:
    10.1016/j.ijsolstr.2021.111144
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    International Journal of Solids and Structures
  • 影响因子:
    3.6
  • 作者:
    Qinghua Song;Yaxin Zhu;Minsheng Huang;Lv Zhao;Shuang Liang;Zhenhuan Li
  • 通讯作者:
    Zhenhuan Li
Studying the effects of hydrogen on dislocation mobility and multiplication in nickel by phase-field method
用相场法研究氢对镍中位错迁移率和增殖的影响
  • DOI:
    10.1016/j.mechmat.2022.104443
  • 发表时间:
    2022-08
  • 期刊:
    Mechanics of Materials
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Zhouqi Zheng;Shuang Liang;Minsheng Huang;Lv Zhao;Yaxin Zhu;Zhenhuan Li
  • 通讯作者:
    Zhenhuan Li

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其他文献

喀斯特小流域河流溶存甲烷浓度时空变化特征
  • DOI:
    10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20210408.001
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    中国环境科学
  • 影响因子:
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  • 作者:
    许浩霆;陈敏;肖尚斌;虞之锋;梁爽;郑祥旺
  • 通讯作者:
    郑祥旺
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  • 发表时间:
    2017
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  • 作者:
    梁爽;宾琴;柏正武;陈伟
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  • 作者:
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  • 作者:
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    现代生物医学进展
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    --
  • 作者:
    冯春琼;梁爽;邹亚光;毛向明;李铁求;周其赵
  • 通讯作者:
    周其赵

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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