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。本文主要研究內(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(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。通過溫度場的解析解表達(dá)式求解熱應(yīng)力場

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)無限積分表達(dá)式給出。詳細(xì)討論了熱沖擊時(shí)間、裂紋長度、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