中文摘要：

土木与机械结构的性能依赖于材料的强度和韧性。纳米技术有希望改善结构材料的强度和韧性从而增加它们的使用范围同时减轻结构的重量。表面机械研磨纳米化结合共温轧是能够同时增加层状金属强度和韧性的一类新型实验技术。实验研究提出非局域断裂的起始和演化是增韧的主要原因。然而，从数值模拟角度，这些纳米结构层状金属材料能够同时被增强增韧的机理依然不清楚。因此，需要一个基于断裂分析的计算框架去将这些纳米结构材料的性能同组分性能联系起来。本研究将建立一个内聚力有限元计算框架，其中包含有针对纳米结构层状金属的拉力-张开位移关系，把握变形中的非局域断裂行为。通过模拟纳米晶层断裂韧性，厚度，层数和残余应力以及金属基底的性能对整体层状金属材料韧性的影响，本研究将探索纳米结构层状金属材料非局域断裂这一增韧机理，探讨将表面机械研磨纳米化和共温轧技术推广到其它金属材料的应用前景。

结论摘要：

本项目的主要成果包括 1) 新型层状不锈钢的整体韧性的影响因素针对表面机械研磨和共轧技术制造的不锈钢，内聚力有限元模拟显示了随着粗晶层断裂韧性的增加和纳米晶层失效应变的增加，不锈钢的整体韧性会显著增强，然而当纳米晶层的厚度增加到60微米时，整体韧性会显著下降，原因在于起始于纳米晶层的微裂纹很容易贯穿整个纳米晶层。 2) 新型层状不锈钢拉伸断裂行为模拟中，内聚力有限元的模拟结果对拉力-张开位移关系的曲线形状及网格尺寸的依赖性应用内聚力有限元方法显示了拉力-张开位移关系的曲线形状对于整体响应的应力峰值和微裂纹的法向张开位移影响很大，较脆的纳米晶层的较大厚度允许使用较粗网格。然而，不考虑网格尺寸的下限将可能会导致不合理的结果。 3) 微观非均匀金属材料的断裂韧性应用晶粒生长的相场方法和内聚力有限元研究了金属合金（以镁合金为例）的准静态断裂和动态断裂，分析了断裂韧性随微结构的变化。研究发现裂纹尖端开口位移的临界值对断裂能的依赖性以及拉力-张开位移关系对应变率的依赖性能够明显改变甚至直接反转断裂韧性的变化趋势。研究为合金增强增韧过程提供了线索，提取断裂韧性的计算框架能够用于铝合金和钢材的研究。 4) 双模态纳米结构金属断裂行为建立基于机理的低阶应变梯度塑性理论和Johnson-Cook失效模型的计算框架，研究了粗晶区域分布特征和纳米晶本构关系对双模态纳米晶铜的中心裂纹拉伸试样的断裂行为的影响。模拟显示以上两者直接影响载荷响应和能量输出，更重要的是，它们和断裂模式直接相关。本研究显示了粗晶区域的桥联和裂纹偏转明显地能够增韧。 5) 纳米孪晶加强的粗晶金属拉伸行为利用应变梯度塑性理论和Johnson-Cook失效模型的计算框架，研究了纳米孪晶夹杂相的分布特征和本构关系对整体粗晶金属的强度和韧性的影响。研究发现，微裂纹的起始、合并和偏转构成了整个失效过程，同时孪晶间距，包括排列、形状和取向的分布特征，以及纳米孪晶夹杂相的体积比，都有重要的影响。