陶瓷热冲击二维开裂构型的实验和有限元研究

admin · 发表于 2024-2-1 11:57:19

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脆性陶瓷材料的热冲击开裂一直是制约其优异高温性能发挥的主要因素之一。研究陶瓷热冲击开裂机理与规律对提高陶瓷抗热冲击性能具有重要的理论和应用价值。陶瓷热冲击开裂题目的研究主要通过实验、理论分析和数值模拟相结合的方法进行。为便于进行陶瓷材料热冲击开裂机理和裂纹构型研究，本文开展了陶瓷薄片的淬火急冷实验，得到了陶瓷热冲击二维开裂构型，并对于陶瓷热冲击二维开裂题目发展了基于最小能量原理的有限元方法预测热冲击裂纹扩展历程及最终的开裂构型。通过数值方法分析了陶瓷薄片热冲击过程中的温度分布与应力分布，讨论了热冲击表面所能达到的最大应力及达到该应力对应的热冲击时间随Bi模数的变化规律。通过实验观察到，陶瓷薄片热冲击开裂形成的裂纹在热冲击表面处均匀分布，沿热流反方向扩展，裂纹沿着垂直于热流的方向周期性重复长短交替的多级构型。建立代表性单胞模型并引入周期性边界条件可在不影响分析精度的情况下显著减少有限元方法的计算量。有限元方法预测陶瓷热冲击开裂的表面裂纹间距与Bi模数基本成反比，而与热冲击温差基本成正比。通过有限元法预测的陶瓷热冲击开裂临界温差与通过抗热冲击断裂理论计算的结果吻合较好。通过本文发展的有限元方法得到的陶瓷热冲击最终开裂的裂纹长短交替多级构型与实验观察到的情况基本相符。本文的工作对陶瓷热冲击断裂理论和工程应用具有一定参考价值。

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