氧化锆陶瓷增韧效应和低温退化行为的数值模拟和实验研究

发布时间：2021-07-24 18:07

　　氧化锆陶瓷在工程领域有广泛的应用,例如热障涂层、生物医学植入等。一方面,在应力诱导的条件下,氧化锆会产生四方相至单斜相的相变,所以裂纹在向前扩展时裂尖附近的应力场会促使该相变的发生,并且在裂纹的扩展路径上会留下相变区域,相变应变会阻碍裂纹向前扩展,从而产生增韧效应。以往在研究氧化锆陶瓷相变增韧效应时,学者们大多采用了小范围相变假设,且有限元模型都是二维模型。另一方面,当长期暴露于蒸汽环境时,氧化锆陶瓷也会产生上述相变,但这会使它的断裂韧性降低,这就是所谓的低温退化现象。本文采用三维有限元模型研究氧化锆陶瓷边裂纹以及界面裂纹扩展的相变增韧效应,通过使用商业有限元软件ABAQUS软件中的UMAT子程序插入氧化锆陶瓷材料的力学本构关系。本文不再使用之前常用的小范围相变假设,且有限元模型为三维模型,研究的范围变为结构模型尺度,其中用了内聚力单元。我们将氧化锆陶瓷材料与纯弹性材料进行了对比。并且系统的讨论了边裂纹和界面裂纹条件下应力状态、内聚力强度、剪切相变应变、相变激发能以及基体弹性模量对相变范围大小和裂纹扩展的影响。同时我们还探讨了低温退化对氧化锆陶瓷片断裂韧性的影响。实验结果表明,平面应力... 

【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：75 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

应力诱导相变增韧示意图

中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论，包括聚合物、金属、陶瓷、混凝土结构以及双层材料等的界面裂纹扩展行为时，内聚力单元模型被认为是最有可以很方便的用来模拟混合型裂纹扩展。虽然内聚力单，但在已发表的文献中，只有少数文献在研究相变材料的力单元。比如，Freed 和 Banks-Sills[13]用内聚力单元研究的扩展，他们发现内聚力单元的界面强度会对增韧效应4]在研究形状记忆合金和线弹性或弹塑性材料界面裂纹扩到了内聚力单元。Baxevanis 等[15, 16]使用虚拟裂纹闭合技合金裂纹扩展行为，他们用到了内聚力单元并讨论了塑韧性的影响。

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文影响。相比于仅考虑体积相变，全场有限元分析法证实了相变产生增强了 R 曲线行为。因此，无论是实验研究还是理论模型都证实象发生，剪切相变应变对上述材料相变增韧的影响不可忽略。20Sun[31]的本构关系运用到有限元软件中，研究了氧化锆陶瓷的相变影响。

【参考文献】：
期刊论文
[1]Y2O3稳定ZrO2相结构的拉曼光谱研究[J]. 谷晋骐,岳武,柴玉瑛.  光散射学报. 1994(02)

硕士论文
[1]氧化锆陶瓷三维裂纹扩展和压痕实验的有限元模拟研究[D]. 刘念.华中科技大学 2016
[2]水凝胶压痕实验和裂纹扩展行为的有限元模拟研究[D]. 郭佳新.华中科技大学 2015
[3]内聚力模型的分析及有限元子程序开发[D]. 黄刘刚.郑州大学 2010



本文编号：3301155