ZrO2-NiCr功能梯度材料的斷裂行為研究.pdf

1、功能梯度材料作為一種典型的非均勻材料在航空航天領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。由于功能梯度材料具有連續(xù)的組分變化形式，因此它克服了傳統(tǒng)多層結(jié)構(gòu)層間易破壞的弱點(diǎn)。另外，功能梯度材料還具有可設(shè)計(jì)性，人們可以根據(jù)外部環(huán)境的不同來(lái)設(shè)計(jì)功能梯度材料以滿足工程實(shí)際的要求。功能梯度材料的材料結(jié)構(gòu)梯度變化使其具有許多與均勻材料不同的力學(xué)特性，因此對(duì)功能梯度材料的斷裂行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用背景。
　　第一章回顧和評(píng)述了功能梯度材料斷裂

2、問(wèn)題的研究現(xiàn)狀。主要評(píng)述了功能梯度材料斷裂問(wèn)題的理論研究、數(shù)值模擬研究以及實(shí)驗(yàn)研究現(xiàn)狀。
　　第二章研究了粉末冶金方法制備 ZrO2/NiCr體系功能梯度材料的制備工藝，并對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在相同的工藝條件下，又制備出不同組分比例的 ZrO2-NiCr均勻復(fù)合材料。在此基礎(chǔ)上，對(duì)功能梯度材料和均勻復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)的變化和各種力學(xué)性能的變化進(jìn)行了測(cè)量與分析。
　　第三章研究了 ZrO2/NiCr體系功能梯度材料的微結(jié)構(gòu)變

3、化對(duì)其力學(xué)性能變化的影響。通過(guò)分析顯微照片和斷口形貌，發(fā)現(xiàn)基體相材料的改變（由金屬變化陶瓷）、陶瓷顆粒的團(tuán)聚體和陶瓷/金屬間的弱界面是影響 ZrO2/NiCr功能梯度材料力學(xué)性能變化的主要因素。把考慮弱顆粒/基體界面情況的修正 Mori-Tanaka方法引入到陶瓷/金屬體系功能梯度材料中，并對(duì)其有效彈性模量的梯度變化進(jìn)行了準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。
　　第四章研究了 ZrO2/NiCr體系功能梯度材料的 I型靜態(tài)斷裂問(wèn)題，其中裂紋方向平行于材料

4、梯度方向，斷裂實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)的三點(diǎn)彎曲載荷下進(jìn)行。采用數(shù)字圖像相關(guān)方法和有限元方法分析了彈性模量梯度和斷裂韌性梯度對(duì) I型裂紋啟裂和擴(kuò)展的影響。從能量釋放率角度討論了功能梯度材料中裂紋擴(kuò)展的穩(wěn)定性問(wèn)題，并分析了彈性模量梯度和斷裂韌性梯度的變化方式對(duì) I型裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展的影響。分析結(jié)果表明，當(dāng)功能梯度材料的力學(xué)性能變化方式為沿裂紋擴(kuò)展方向彈性模量遞減而斷裂韌性遞增時(shí)，該材料性能變化方式可以顯著地提高功能梯度材料的裂紋擴(kuò)展阻力，并使裂紋發(fā)生穩(wěn)定擴(kuò)

5、展；而當(dāng)材料性能變化方式相反時(shí)，裂紋易發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展。
　　在第五章中，對(duì) ZrO2/NiCr體系功能梯度材料的 I-II混合型靜態(tài)斷裂問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，其中裂紋方向平行于材料梯度方向，斷裂實(shí)驗(yàn)在非對(duì)稱三點(diǎn)彎曲載荷條件下進(jìn)行。應(yīng)用數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)得了裂紋在啟裂時(shí)的位移場(chǎng)和應(yīng)力強(qiáng)度因子。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，沿裂紋擴(kuò)展方向遞增的彈性模量會(huì)使裂尖產(chǎn)生更大的剪切變形，進(jìn)而使裂尖的混合度增加，并最終導(dǎo)致裂紋以較大的偏轉(zhuǎn)角度啟裂。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn) I-I