脆性固体材料的热冲击裂纹扩展规律及热冲击阻力行为

摘要

热冲击断裂力学是断裂力学的一个研究方向,它研究材料结构在热冲击荷载下的瞬态热断裂现象。由于热冲击断裂在很多研究领域的重要性,它已经吸引了很多研究学者的关注。但是,热冲击断裂力学在含椭圆形嵌入裂纹或半椭圆形表面裂纹的弹性材料、压电圆柱材料、小尺度热冲击时间(如脉冲激光加热)、小尺度材料结构(如纳米材料)方面的研究还不够深入,这几个方面的研究对实际工程中脆性材料抗热冲击断裂的设计有重要意义。本文主要研究内容和结论如下:
　　考虑一些弹性材料有极好的热学性质,被作为主要的商业可行的抗高温应用材料(如:航空和航天工业)。但是材料在加工和服役过程中容易产生缺陷,而且在实际应用中发现的大多数缺陷更接近椭圆形嵌入裂纹或半椭圆形表面裂纹。由于他们的实际意义,研究这些缺陷对材料热冲击行为的影响是重要的。本文基于最大应力准则和断裂韧性准则研究含椭圆形嵌入裂纹或半椭圆形表面裂纹的半无限大体和有限厚板模型的热冲击阻力。通过权函数法的应力强度因子表达式,揭示裂纹尖端附近热应力强度因子关于热冲击时间和裂纹长度的变化情况。基于热应力强度因子的数值结果给出裂纹增长轨迹和热冲击阻力曲线。发现对于任何给定的初始裂纹长度和裂纹形状因子,有较低断裂韧性的材料更早地发生不稳定的裂纹扩展,并且在热冲击荷载条件下裂纹存在抗增长行为。结合最大应力准则和断裂韧性准则得到便于在工程材料设计中使用的最小热冲击阻力表达式。
　　近些年来,压电材料在高温中的应用迅速增长(如:航空宇宙,核电站和核空间,海上和海下结构,土木工程结构),一些耐高温压电材料具有脆性,在高温热冲击环境中,由于其内部力-电-热耦合效应易发生断裂。因此,为了了解高温压电材料耐久性和可靠性问题,较好地理解压电材料在高温热冲击下的断裂行为是必要的。本文研究含一个硬币型中心裂纹的有限压电圆柱结构的热冲击阻力,求解了两个边界值问题,其一是经典的傅里叶热传导问题,另一个是裂纹尖端附近的热应力强度因子和电位移强度因子问题。通过解奇异积分方程研究裂纹问题,得到一个充分小裂纹尖端附近的热应力强度因子和电位移强度因子。基于最大应力准则和断裂韧性准则给出压电圆柱的热冲击阻力。为了便于实际工程应用,给出最小热冲击阻力表达式。
　　经典傅里叶热传导定律假设材料内部的热传递过程是速度无限的扩散行为,为准平衡假设。但是,当涉及热冲击时间小尺度情况下,即强瞬态导热(如脉冲激光实验),准平衡假设已不再适用。非傅里叶热传导定律更适用于时间小尺度热传导情况。本文研究一个含表面直裂纹半无限大体模型的非傅里叶热传导理论热冲击断裂问题。通过温度场的解析解表达式求解热应力场。热应力强度因子通过一个数值积分表达式得到,给出热应力、热应力强度因子关于热冲击时间、深度和裂纹长度变化的数值结果。基于此,通过比较非傅里叶热传导和傅里叶热传导的结果分析了裂纹扩展行为。研究结果表明对于任何给定的初始裂纹长度和介质的断裂韧性,非傅里叶热传导模型比傅里叶热传导模型裂纹早发生不稳定扩展。这个现象说明了在计算材料热冲击断裂时,考虑非傅里叶热传导模型的意义。
　　微/纳米尺度结构材料具有杰出的物理、化学、力学和电学性质,已有相当多的注意集中在这些先进材料的力学性质研究上。本文应用非局部弹性理论研究含一个表面直裂纹的半无限大介质和有限厚板的纳米尺度材料在热冲击荷载条件下的热断裂问题。建立热弹性连续介质的温度-应力非局部弹性理论的本构关系。得到基于非局部微分弹性理论的热应力解析解。热应力强度因子解通过一个无限积分表达式给出。详细讨论了热冲击时间、裂纹长度、非局部参数对热应力强度因子的影响。数值结果表明非局部参数对热应力强度因子的影响较大,热应力强度因子随非局部参数的增大而增大。比较局部理论模型,通过非局部理论模型预测的热应力强度因子大于局部理论模型预测的。因此,非局部理论模型为材料的热冲击断裂研究提供了一个更安全的预测。最后,给出基于非局部弹性理论模型的裂纹增长轨迹,研究结果表明一个比较高的初始热冲击温度是有益的。

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Contents

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 热冲击断裂力学的概况

1.3 本文的主要研究内容

第2章 含三维裂纹弹性材料的裂纹扩展规律及热冲击阻力

2.1 引言

2.2 含嵌入椭圆形裂纹板的热冲击阻力

2.3 含半椭圆形表面裂纹半无限大体的裂纹扩展规律和热冲击阻力

2.4 含半椭圆形表面裂纹板的裂纹扩展规律和热冲击阻力

2.5 本章小结

第3章 压电圆柱材料的裂纹扩展规律及热冲击阻力

3.1 引言

3.2 控制方程

3.3 热冲击温度场

3.4 压电圆柱中的电弹性场

3.5 裂纹问题

3.6 本章小结

第4章 非傅里叶热传导的热冲击断裂

4.1 引言

4.2 温度场和热应力场分布

4.3 裂纹问题

4.4 裂纹增长轨迹

4.5 本章小结

第5章 非局部弹性理论的裂纹扩展规律及热冲击阻力

5.1 引言

5.2 含表面裂纹半无限大体的裂纹扩展规律

5.3 含表面裂纹板的热冲击阻力

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

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