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

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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，平面应力状态下增韧效果更明显，更高的内聚力强度和剪切相变应变会产生更强的增韧效应，相变激发能的增加会延缓相变的发生，由此使得增韧效应减弱。界面裂纹扩展时，基体弹性模量的增加会增大完全相变的范围，同时裂纹更容易扩展。通过低温退化实验我们发现，随着低温退化时间变长，氧化锆陶瓷中单斜相含量增加，断裂韧性下降。

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作者
刘博;
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作者单位

华中科技大学;

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授予单位华中科技大学;
学科工程力学
授予学位硕士
导师姓名罗俊;
年度 2018
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类建筑材料;
关键词
氧化锆陶瓷; 增韧效应; 低温; 退化; 行为; 数值模拟;

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