1 研究背景与研究方案
金属材料内裂纹愈合是材料科学与工程领域新兴的一个研究领域。目前致力于这方面研究的人员越来越多。研究金属材料内裂纹愈合，对改善材料的性能，提高材料的品质有重要的理论意义和实用价值。
1.1 裂纹愈合研究文献调研
本文在《工程索引》网络版 EI CompendexWeb 数据库中，在基本检索方式下，以“Crack Healing”为检索词，用“All Fields”字段检索的结果显示，二十世纪七十年代被 EI收录的文献为 48 篇；到二十世纪八十年代被 EI 收录的文献为 120 篇；从二十世纪九十年代至今被EI 收录的文献数增加到了319 篇。
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1.2 金属材料内裂纹愈合研究进展
1.2.1 20MnMo 钢内裂纹高温愈合现象的发现
韩静涛等[15,24,25]通过物理模拟研究，发现了 20MnMo 钢内裂纹在高温下可修复的现象。随后又在静水压力、大塑性变形和有动态再结晶条件下进行了实验验证。指出20MnMo 钢在一定条件下（可无塑性变形），内部裂纹的萌生与扩展是一个可逆的过程，内部裂纹愈合过程主要受控于基体金属内的原子扩散。图 1.1 显示了含有预置内部裂纹的管板锻件常用材料 20MnMo 钢试样，在高温下，试样的裂纹部分随加热温度的升高、保温时间的延长而逐渐被填充的过程。
1) 800℃时，裂纹的中间部位仍为空洞；
2) 温度上升到 900℃时，裂纹的尖端部分首先被修复，使裂纹的实际尺寸减小；
3) 当温度达到 1000℃时，原裂纹部位已经基本上被某种金属填充，但其组织与周围基体明显不同；
4) 温度达到 1200℃时，裂纹内的金属组织与周围基体已无明显差异。图 1.2 是 20MnMo 钢试样在高静水应力、大塑性变形以及有动态再结晶的条件下，内部裂纹的愈合情况。在压下率为 40%时（图 1.2a），试样中原圆形空洞被压成椭圆形，该椭圆长轴的顶端相当于一钝化的裂纹尖端，在空洞与正常金属基体之间有一层颗粒细小的金属组织，这层组织应为高温扩散的金属原子向空洞迁移的产物；当压下量增加到 60%时（图 1.2b），裂纹的尖端部位已经被压合，仅有一条白色带证明了其曾经存在，裂纹的尖端比较锐利；当压下量达 70%时，预置裂纹区域已经全部被压合，但白色条带仍清晰可见。将此部分的组织在扫描电镜下观察（图 1.2c）,可清楚地看到：条带内的组织较为细密（上部），而基体组织则较为粗大。显然这是由于变形的时间较短，裂纹的愈合尚不足以完全进行，裂纹的全部修复，尚需一定的高温扩散时间来保证。
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2 内裂纹愈合物理模拟试样制备技术研究
2.1 平板撞击试样制备技术研究
平板撞击试样中的内部层状裂纹是用平板撞击的方法制备的。平板撞击，即当一个高速运动着的一块平板（称为飞板），撞击另一块平板(称为靶板)时，靶板中产生压缩波，此压缩波在低阻抗交界面（一般为自由表面）反射形成稀疏波，随后，稀疏波在靶中相互作用形成拉伸波。如果所产生的拉伸强度足够大，就导致层裂破坏。当平板撞击速度达到一定值，层裂大约出现在靶板试样中心径向三分之二的位置，整个层裂区域呈现为与靶板试样同心的近似圆形，撞击后的靶板即为制备好的含有内部层状裂纹的平板撞击试样。层裂是一种典型的在冲击载荷作用下的动态断裂形式。冲击载荷下材料的损伤和破坏一直是固体力学和材料科学极为关注的重要问题之一。一般来说，损伤、断裂和破坏过程是十分复杂的，涉及到几个不同的物质层次和空间尺度上所发生的物理过程。从微观尺度、细观尺度到宏观尺度，各种无序因素（如分子、位错、晶界、微裂纹、微孔洞、夹杂、宏观裂纹等）都对材料的力学性能有着不同程度的影响。绝大多数损伤破坏过程发生在非平衡条件下且具有很强的非线性行为[86]。自 70 年代起，Standford 研究组（SRI）针对材料的动态断裂进行了大量的实验研究、理论分析和数值模拟，明确地将层裂过程归纳为大量微裂纹或微孔洞的成核、扩展和连接三个阶段。
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2.2 钻孔压缩试样制备技术研究
2.2.1 钻孔压缩试样的设计与制造
本论文选用的试样材质为纯铁、20 钢、45 纲、16Mn、5CrMnMo 钢，其化学成分见表 2.1。表 2.1 钻孔压缩试样中各主要元素质量百分含量
钻孔压缩试样的制备过程：将各所选金属材料加工成 φ12×12mm 圆柱体，在圆柱体侧面中心部位钻φ2×7mm 盲孔，在盲孔外端处攻丝得到 M3×5mm 螺纹，剔除盲孔内残屑，用丙酮和无水乙醇清洗后晾干，分别用同材质的 M3 螺钉封堵盲孔外端，并采用氩弧焊将盲孔外端焊封。这样在圆柱体试样内部形成一个直径为 2mm，长度为 2mm 的密闭孔腔。依据材质的不同，将试样加热到不同温度后，在 600KN 材料实验机上以1.5mm/s 的压下速度压缩，用厚度为目标高度的钢垫块控制压头位移量，压下量为3.5mm，得到高度为 8.5mm 的鼓形试样，压缩结束后空冷试样。这样试样内部就会存在因密闭孔腔被压扁而带来的内裂纹。
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3 平板撞击试样内裂纹愈合过程的原位动态观察...............41
3.1 观察实验的实施 ..................41
3.2 原位动态观察结果与分析..........................44
3.3 孔洞愈合过程分析 ...................53
4 钻孔压缩试样内裂纹愈合过程的实验研究 ........................56
4.1 实验方案.......................56
4.2 试样剖分面上愈合区域的组织、形态观察.................57
4.3 试样愈合区的 X 射线能谱分析 ....................76
4.4 愈合试样的显微硬度分析.................................81
4.5 愈合形态演化过程的扩散热力学分析.......................85
7 描述内裂纹愈合过程的内变量及其演化趋势分析
7.1 裂纹愈合内变量的提出
20 世纪 70 年代中期和末期，国内外许多学者将材料中存在的缺陷理解为连续的变量场（损伤场），它和应力、应变场以及温度场的概念相类似，用连续介质力学的概念和方法研究缺陷的发展及其对材料力学性能的影响，由此而形成了损伤力学，有时又称为连续介质损伤力学。连续介质热力学采用的一个很有用的模型就是宏观无穷小、微观无限大模型[106]。 该模型一方面通过“宏观无限小”的引入使得系统具有均匀的热力学状态的假设对场的数学分析造成的误差可以忽略不计，另一方面通过“微观无限大”又使得系统具有足够多的粒子，使得对该系统引入的参量有统计平均的物理基础。因此，物体内的缺陷，可以理解为一种连续的场变量。本文以此为出发点，在连续介质热力学框架内，采用宏观无穷小、微观无限大的模型，即在物体内某点处选取“体积元”（假定该体积元内的应力、应变以及裂纹都是均匀分布的），引入一个反映裂纹在愈合过程中引起材料微观组织结构发生不可逆变化的内变量——裂纹愈合内变量。
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结 论
本论文通过物理模拟研究和计算机数值模拟，对金属材料中的内裂纹愈合问题进行了综合系统的研究，并在此基础上进行了裂纹愈合过程的扩散热力学分析及裂纹愈合内变量分析。主要研究工作和结论如下：
1．裂纹愈合过程的物理模拟研究
（1）物理模拟实验试样制备技术研究采用平板撞击和钻孔压缩两种方法制备试样。平板撞击法制备出的纯铜试样中的层状内部裂纹由被微裂纹连接的微孔洞及其周围呈离散分布的微孔洞组成；钻孔压缩法制备的纯铁、20 钢、45 钢、16Mn 和 5CrMnMo 钢试样中的内部裂纹由预置孔洞闭合形成的呈透镜状的一次裂纹和出现在孔洞周围呈放射状的二次裂纹组成。
（2）平板撞击试样内裂纹愈合过程的原位动态观察通过高温显微镜裂纹愈合的原位动态观察发现：在平板撞击纯铜试样剖分面上，10~100μm 级孔洞在温度为 750℃时开始愈合，在 900℃时明显愈合。孔洞愈合初期，由于观察面是一截面，出现了孔洞的高曲率棱边钝化和边界规则化现象，参差不齐的锯齿状界面消失，边界呈平坦化、圆形化形态。在随后的加热保温过程中，基体内部的原子向孔洞内表面迁移，孔洞被逐渐填充，孔洞的内表面才会逐渐在高温显微镜的视场下显现出来。扫描电镜观察发现：愈合孔洞的精细结构由 μm 级团状颗粒与 nm 级颗粒组成。基于上述观察研究认为，对于试样观察面上的开放式的孔洞，其愈合过程是由位于基体内部的孔洞内表面向观察面进行的；而对于封闭在试样内部的孔洞，其愈合过程的发生将会是从孔洞的内表面向孔洞的中心部位进行的。
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参考文献（略）