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纳米复相陶瓷在超声振动作用下的蠕变特性研究

姚建国  
【摘要】:由于陶瓷材料有许多优越性能,如高硬度、高强度、耐高温、耐腐蚀、耐烧蚀、导热系数低等优点,使得它在航天航空,汽车,能源,电子,化工等领域有着广阔的应用前景。但陶瓷材料特殊的内部结构,由于其脆性很大,使得内部缺陷敏感,内部的裂纹一旦产生就会迅速的发展,使材料迅速断裂。蠕变作为陶瓷的一种特殊的力学性能,引起了陶瓷界同仁的广泛关注,成为陶瓷界目前研究的一个热点,本文从超声振动和普通条件两种情况下做了对比试验,得出超声振动可以改变陶瓷的力学性能,尤其对高温下陶瓷的蠕变力学性能有一定的影响。主要从以下几个方面做了研究: 1、提出了纳米复相陶瓷在超声振动条件下的拉伸蠕变断裂模拟试验方法,通过试验表明施加超声振动(频率f =20khz)时,试件所需循环应力减小约25%,验证了非局部理论中的重要结论:当超声振动作用于材料上时,存在波的散射、力的衰减现象。 2、通过对超声振动下ZTA纳米复相陶瓷材料循环疲劳特性的试验,得出了超声振动对裂纹扩展方式的影响规律。从电子扫描显微镜观察断口微观形貌可以得出超声振动作用改变了陶瓷材料的微观结构及其蠕变力学性能,对比了普通条件和超声振动下的蠕变断裂机理。即普通条件下断裂行为为晶界扩散蠕变即Coble蠕变,而超声振动下的断裂行为为晶粒扩散蠕变即Nabarro-Herring蠕变。通过该断裂试验得出沿晶断裂是普通条件下主要断裂模式,而穿晶断裂是超声振动条件下主要的断裂模式,施加超声振动可以延缓陶瓷材料的断裂寿命。 3、从理论上分析了纳米复相陶瓷材料蠕变损伤的发育过程,并通过相关模型分析了蠕变裂纹缓慢的扩展机理。利用三点弯曲法对纳米陶瓷进行了高温蠕变试验研究,得到了影响纳米陶瓷蠕变的因数除跟温度有关外,还与材料的微观结构以及晶粒大小有关。 4、试验对比了超声振动和普通两种振动方式在同一条件下的蠕变特性,结果表明,在相同的作用时间内,超声振动下初始阶段的蠕变速率明显高于普通条件下的蠕变速率,达到稳定阶段后变化缓慢。利用非局部理论得出,超声振动时的波长与内部粒子间有一定的长程作用力,使得波散射现象发生,非局部模量减小,减小应力集中,使得变化缓慢。


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