含微缺陷的sic陶瓷单轴压缩力学性能及破坏机理研究

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1、学校代码10530学号201510161702分类号TH145.1密级公开硕士学位论文含微缺陷的SiC陶瓷单轴压缩力学性能及破坏机理研究学位申请人黎旭指导教师姜胜强副教授学院名称机械工程学院学科专业工程硕士（机械工程领域）研究方向先进制造工艺及装备二〇一八年六月MechanicalPropertiesandDamageMechanismofSiCCeramicContainingPre-existingDefectsunderUniaxialCompressionCandidateLiXuSupervisorJiangShengqiangCollegeSchoolo

2、fMechanicalEngineeringProgramMechanicalEngineeringSpecializationAdvancedManufacturingTechnologyandEquipmentDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJune,2018湘潭大学硕士学位论文摘要陶瓷材料以其优良的机械、热、化学性能在宇航、精密机械、微电子等领域应用非常普遍。但陶瓷材料在粉体压实和烧结制备过程中内部会不可避免地引入各种随机缺陷，这些缺陷大小、形状及分布各异，以微裂纹和微孔洞较为典

3、型。而陶瓷作为一种典型的硬脆性材料，在加工及服役过程中材料内部受到外部载荷（如压应力）的作用，容易产生微裂纹、破碎等形式的内部损伤以至工件断裂。缺陷的存在往往是材料内部裂纹扩展的源头，其分布的随机性会对材料强度、服役性能和可靠性等产生不可控影响。因此，研究外载荷作用下（特别是受压状态下）陶瓷材料的细观损伤与破裂演化机制对于陶瓷材料性能检测、评价及服役性能研究各方面具有重要的指导意义。本文以碳化硅陶瓷为研究对象，通过离散元数值仿真的方法研究其单轴压缩下内部缺陷对陶瓷材料力学性能和开裂模式的影响，为深入揭示受压下含微缺陷的陶瓷材料损伤破坏机制及力学响应情况提供重要指导。

4、本文一共分成六章，各章主要研究内容如下：第一章介绍了本文研究的背景及意义，简要回顾了含缺陷脆性材料的裂纹扩展、力学性能和数值仿真研究现状，同时介绍了离散元法及其在陶瓷材料中的应用，最后概括了论文课题来源及主要研究内容。第二章建立了含单条微裂纹缺陷的碳化硅陶瓷单轴压缩离散元模型，对比研究了预制裂纹倾角对材料单轴压缩力学性能及裂纹萌生与扩展的影响；分析了加载过程中不同倾角的预制裂纹周围力链场、位移场和应力场的分布演化过程；探讨了模型中预制裂纹尺寸的影响与选取范围。第三章基于超椭圆方程建立了三种不同形状的单孔洞缺陷碳化硅陶瓷离散元模型，研究了单个不同孔洞倾角下孔洞纵横比及

5、形状对裂纹扩展和力学性能的影响；最后探讨了单孔洞缺陷尺寸的影响。第四章考虑不同位置及角度的微裂纹缺陷相互作用，研究了两条平行微裂纹及非平行微裂纹之间的扩展、汇合及对强度的影响；基于Mori-Tanaka法在微裂纹体有效模量计算上的应用，引入了微裂纹密度函数，研究了不同裂纹密度下试样失效模式及对力学性能的影响。第五章研究了两个平行和非平行椭圆形孔洞缺陷在不同位置及倾角下的扩展汇合对强度的影响；同时，基于Mori-Tanaka法引入了孔洞密度函数，研究了孔洞密度对试样失效及强度的影响，对比了不同孔洞密度下试样有效模量的变化情况。第六章对本文的研究内容进行了总结与展望。关

6、键词：SiC陶瓷；材料缺陷；破坏机理；力学性能；离散元I湘潭大学硕士学位论文AbstractCeramicsarewidelyusedinaerospace,precisionmachineryandmicroelectronicsfortheirexcellentmechanical,thermalandchemicalproperties.However,itinevitablyintroducesvariousrandomdefectsduringthepowdercompactionandsinteringpreparation.Andmicrocracks

7、andmicroholes,whicharevariedinsize,shapeanddistribution,arethemosttypicalamongtheserandomdefects.Duringtheprocessingandserviceofmaterials,thecompressivestressonthematerialcancauseinternaldamageandfailuretothematerialundertheinfluenceofdefects.Thedefectsisthesourceofinternalcrackpropa