脆性固體材料的熱沖擊裂紋擴(kuò)展規(guī)律及熱沖擊阻力行為.pdf

1、熱沖擊斷裂力學(xué)是斷裂力學(xué)的一個(gè)研究方向,它研究材料結(jié)構(gòu)在熱沖擊荷載下的瞬態(tài)熱斷裂現(xiàn)象。由于熱沖擊斷裂在很多研究領(lǐng)域的重要性,它已經(jīng)吸引了很多研究學(xué)者的關(guān)注。但是,熱沖擊斷裂力學(xué)在含橢圓形嵌入裂紋或半橢圓形表面裂紋的彈性材料、壓電圓柱材料、小尺度熱沖擊時(shí)間(如脈沖激光加熱)、小尺度材料結(jié)構(gòu)(如納米材料)方面的研究還不夠深入,這幾個(gè)方面的研究對(duì)實(shí)際工程中脆性材料抗熱沖擊斷裂的設(shè)計(jì)有重要意義。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　考慮一些彈

2、性材料有極好的熱學(xué)性質(zhì),被作為主要的商業(yè)可行的抗高溫應(yīng)用材料(如:航空和航天工業(yè))。但是材料在加工和服役過程中容易產(chǎn)生缺陷,而且在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)缺陷更接近橢圓形嵌入裂紋或半橢圓形表面裂紋。由于他們的實(shí)際意義,研究這些缺陷對(duì)材料熱沖擊行為的影響是重要的。本文基于最大應(yīng)力準(zhǔn)則和斷裂韌性準(zhǔn)則研究含橢圓形嵌入裂紋或半橢圓形表面裂紋的半無(wú)限大體和有限厚板模型的熱沖擊阻力。通過權(quán)函數(shù)法的應(yīng)力強(qiáng)度因子表達(dá)式,揭示裂紋尖端附近熱應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)于

3、熱沖擊時(shí)間和裂紋長(zhǎng)度的變化情況?；跓釕?yīng)力強(qiáng)度因子的數(shù)值結(jié)果給出裂紋增長(zhǎng)軌跡和熱沖擊阻力曲線。發(fā)現(xiàn)對(duì)于任何給定的初始裂紋長(zhǎng)度和裂紋形狀因子,有較低斷裂韌性的材料更早地發(fā)生不穩(wěn)定的裂紋擴(kuò)展,并且在熱沖擊荷載條件下裂紋存在抗增長(zhǎng)行為。結(jié)合最大應(yīng)力準(zhǔn)則和斷裂韌性準(zhǔn)則得到便于在工程材料設(shè)計(jì)中使用的最小熱沖擊阻力表達(dá)式。
　　近些年來,壓電材料在高溫中的應(yīng)用迅速增長(zhǎng)(如:航空宇宙,核電站和核空間,海上和海下結(jié)構(gòu),土木工程結(jié)構(gòu)),一些耐高溫壓

4、電材料具有脆性,在高溫?zé)釠_擊環(huán)境中,由于其內(nèi)部力-電-熱耦合效應(yīng)易發(fā)生斷裂。因此,為了了解高溫壓電材料耐久性和可靠性問題,較好地理解壓電材料在高溫?zé)釠_擊下的斷裂行為是必要的。本文研究含一個(gè)硬幣型中心裂紋的有限壓電圓柱結(jié)構(gòu)的熱沖擊阻力,求解了兩個(gè)邊界值問題,其一是經(jīng)典的傅里葉熱傳導(dǎo)問題,另一個(gè)是裂紋尖端附近的熱應(yīng)力強(qiáng)度因子和電位移強(qiáng)度因子問題。通過解奇異積分方程研究裂紋問題,得到一個(gè)充分小裂紋尖端附近的熱應(yīng)力強(qiáng)度因子和電位移強(qiáng)度因子?；?/p>

5、最大應(yīng)力準(zhǔn)則和斷裂韌性準(zhǔn)則給出壓電圓柱的熱沖擊阻力。為了便于實(shí)際工程應(yīng)用,給出最小熱沖擊阻力表達(dá)式。
　　經(jīng)典傅里葉熱傳導(dǎo)定律假設(shè)材料內(nèi)部的熱傳遞過程是速度無(wú)限的擴(kuò)散行為,為準(zhǔn)平衡假設(shè)。但是,當(dāng)涉及熱沖擊時(shí)間小尺度情況下,即強(qiáng)瞬態(tài)導(dǎo)熱(如脈沖激光實(shí)驗(yàn)),準(zhǔn)平衡假設(shè)已不再適用。非傅里葉熱傳導(dǎo)定律更適用于時(shí)間小尺度熱傳導(dǎo)情況。本文研究一個(gè)含表面直裂紋半無(wú)限大體模型的非傅里葉熱傳導(dǎo)理論熱沖擊斷裂問題。通過溫度場(chǎng)的解析解表達(dá)式求解熱應(yīng)力場(chǎng)

6、。熱應(yīng)力強(qiáng)度因子通過一個(gè)數(shù)值積分表達(dá)式得到,給出熱應(yīng)力、熱應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)于熱沖擊時(shí)間、深度和裂紋長(zhǎng)度變化的數(shù)值結(jié)果?；诖?通過比較非傅里葉熱傳導(dǎo)和傅里葉熱傳導(dǎo)的結(jié)果分析了裂紋擴(kuò)展行為。研究結(jié)果表明對(duì)于任何給定的初始裂紋長(zhǎng)度和介質(zhì)的斷裂韌性,非傅里葉熱傳導(dǎo)模型比傅里葉熱傳導(dǎo)模型裂紋早發(fā)生不穩(wěn)定擴(kuò)展。這個(gè)現(xiàn)象說明了在計(jì)算材料熱沖擊斷裂時(shí),考慮非傅里葉熱傳導(dǎo)模型的意義。
　　微/納米尺度結(jié)構(gòu)材料具有杰出的物理、化學(xué)、力學(xué)和電學(xué)性質(zhì),已

7、有相當(dāng)多的注意集中在這些先進(jìn)材料的力學(xué)性質(zhì)研究上。本文應(yīng)用非局部彈性理論研究含一個(gè)表面直裂紋的半無(wú)限大介質(zhì)和有限厚板的納米尺度材料在熱沖擊荷載條件下的熱斷裂問題。建立熱彈性連續(xù)介質(zhì)的溫度-應(yīng)力非局部彈性理論的本構(gòu)關(guān)系。得到基于非局部微分彈性理論的熱應(yīng)力解析解。熱應(yīng)力強(qiáng)度因子解通過一個(gè)無(wú)限積分表達(dá)式給出。詳細(xì)討論了熱沖擊時(shí)間、裂紋長(zhǎng)度、非局部參數(shù)對(duì)熱應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響。數(shù)值結(jié)果表明非局部參數(shù)對(duì)熱應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響較大,熱應(yīng)力強(qiáng)度因子隨非局