藍(lán)寶石單晶體裂紋振動擴(kuò)展機(jī)理研究.pdf

1、藍(lán)寶石單晶具有硬度大、強(qiáng)度高、耐磨性好和抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點，在民品和國防領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，特別是因其具有優(yōu)異的光學(xué)透過性而逐漸取代尖晶石等傳統(tǒng)材料成為新型的光學(xué)窗口材料。但藍(lán)寶石單晶脆性較大，在加工和裝配光學(xué)窗口的過程中會不可避免地引入微裂紋等缺陷，而光學(xué)窗口又多在振動環(huán)境下服役，從而使得初始裂紋擴(kuò)展加劇，材料性能下降，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)失效。因此開展振動條件下藍(lán)寶石單晶裂紋擴(kuò)展的機(jī)理研究具有十分重要的意義。
　　使用有限元軟件Abaq

2、us，采用基于指數(shù)型Φ函數(shù)的內(nèi)聚力單元法對水平和垂直振動載荷下藍(lán)寶石單晶的裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明，裂紋呈階段性擴(kuò)展，整個過程符合脆性材料裂紋突然開裂后迅速擴(kuò)展至斷裂失效的特點。通過分析不同振動條件下模擬結(jié)果，得出振幅和頻率對裂尖區(qū)應(yīng)力增長速度和集中程度，裂紋啟裂時間、擴(kuò)展速度及終態(tài)長度的影響均有明顯的規(guī)律性。水平振動條件下，通過調(diào)節(jié)Ⅰ、Ⅱ型載荷大小實現(xiàn)改變振動夾角的目的，從而探究振動夾角對裂紋擴(kuò)展的影響，結(jié)果表明，隨著振動

3、夾角的變小，裂紋的啟裂時間會有所增加。
　　針對模擬中所施加的振動載荷，對經(jīng)壓痕法預(yù)制初始裂紋的藍(lán)寶石單晶試樣進(jìn)行了振動實驗。結(jié)果表明，雖因振動臺輸出能量有限、模擬中理想簡化等原因?qū)е聦嶒炈昧鸭y擴(kuò)展時間與模擬值存在差異，但模擬得出的裂紋擴(kuò)展呈階段性的結(jié)論以及頻率對裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律得到了實驗驗證。
　　結(jié)合Chen-Chu裂尖位錯理論和Zheng-Hirt模型，對模擬和實驗所得結(jié)果進(jìn)行了原理性解釋。認(rèn)為振動載荷下，藍(lán)寶石單