【摘 要】
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陶瓷材料由于具有的良好的力学性能、热学性能及化学和物理稳定性,在航空航天领域得到非常广泛的应用。作为热结构应用的陶瓷材料在服役历程中不但要遭受高温环境,还要面临复杂的热冲击环境。然而由于陶瓷材料固有的脆性,热冲击断裂与损伤是陶瓷材料失效的主要形式之一,也是评价陶瓷材料使用性能的一项重要性能指标,因此研究陶瓷材料的热冲击行为对于陶瓷材料的可靠性评价和实际工程应用具有非常重要的意义。本论文采用实验和数
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陶瓷材料由于具有的良好的力学性能、热学性能及化学和物理稳定性,在航空航天领域得到非常广泛的应用。作为热结构应用的陶瓷材料在服役历程中不但要遭受高温环境,还要面临复杂的热冲击环境。然而由于陶瓷材料固有的脆性,热冲击断裂与损伤是陶瓷材料失效的主要形式之一,也是评价陶瓷材料使用性能的一项重要性能指标,因此研究陶瓷材料的热冲击行为对于陶瓷材料的可靠性评价和实际工程应用具有非常重要的意义。本论文采用实验和数值模拟相结合的方法研究了陶瓷材料的热冲击行为,主要研究内容如下:(1)在热力学断裂相场模型的基础上通过引入温度相关性损伤判据,修正了断裂相场模型的控制方程,并基于此建立了考虑损伤判据温度相关性的热力耦合断裂相场有限元模型,为陶瓷材料在复杂热环境下的热冲击行为模拟提供了理论基础。(2)基于考虑损伤判据温度相关性的热力耦合断裂相场有限元模型,分别对氧化铝陶瓷材料的水淬实验和圆盘辐射加热实验进行模拟研究。并将断裂相场有限元模拟结果与氧化铝热冲击实验结果和不考虑温度相关性损伤判据的断裂相场有限元模拟结果进行对比,实现了对复杂热环境下热冲击裂纹的萌生和扩展过程更合理的模拟,阐明了考虑损伤判据温度相关性的必要性,为研究陶瓷材料在复杂热环境下的热冲击行为提供了一种有效手段。(3)利用本课题组自主研制的可实现大跨度初始及目标环境温度的材料抗热冲击性能测试设备,针对部分稳定氧化锆陶瓷材料开展了惰性氛围下大跨度初始温度、相同目标温度下的系列降温热冲击实验,并测试了其室温残余强度。实验发现了经历特定热冲击环境的陶瓷材料,其室温三点弯强度不但不会降低,反而得到了显著提升,说明营造一种特定的热冲击环境也是提高陶瓷材料强度的有效手段。进一步,利用考虑损伤判据温度相关性的断裂相场方法,通过热膨胀系数的温度相关性考虑了热冲击过程中部分稳定氧化锆陶瓷材料的相变对其热冲击行为的影响,模拟其降温热冲击行为并分析了在复杂热环境下对其进行热冲击行为的模拟时通过热膨胀系数的温度相关性考虑相变影响的合理性。研究工作加深了对部分稳定氧化锆陶瓷材料在大跨度初始温度、相同目标温度下的降温热冲击行为的理解,对其在复杂服役热环境下的抗热冲击性能的合理表征具有一定的工程应用价值。
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