氧化锆陶瓷室温压入力学行为研究

摘要

氧化锆陶瓷因高强、高硬及相变增韧等优良的物理化学特性，其作为结构或功能陶瓷广泛应用于工程实践中，而随小微尺度陶瓷构件的出现，研究其微尺度力学性能对其工业生产与应用极具指导价值。本文采用纳米压痕技术研究了氧化铈稳定氧化锆陶瓷微尺度力学行为，并通过ABAQUS软件的有限元分析，对压入过程中各阶段材料的应力应变分布进行了研究，主要研究内容和结论如下：
　　（1）使用连续刚度测量法，测试了不同加载应变率和不同压入深度条件下氧化锆陶瓷的力学性能。结果表明，加载应变率一定时，整体接触刚度-位移（S-h）曲线的斜率随压入深度增加而减小；压入深度一定时，S-h曲线斜率、硬度、弹性模量及弹性恢复率变化趋势一致，都随加载应变率的增加而增大；在保载蠕变段，蠕变位移和稳态蠕变应变率呈现明显应变率敏感性。
　　（2）用量纲分析法推导出材料的双线性本构关系，使用ABAQUS有限元软件模拟了Berkovich三棱锥压头的纳米压入过程。数值模拟的结果表明，在纳米压入测试加载段，最大等效应力发生在压头正下方且形成一个静水压力核心，其随着压入的推进呈球形向外辐射扩展，由于弹塑性区域存在由剪应力诱发的马氏体相变，造成材料局部塑性形变不均匀而残余应力分布亦不规则。

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第一章 绪论

1.1陶瓷材料简介

1.2 氧化锆陶瓷工程应用及组织结构

1.3氧化锆陶瓷研究现状

1.3.1陶瓷力学行为的研究方法

1.3.2纳米压入技术

1.3.3纳米压痕技术在陶瓷力学性能表征中的应用

1.4本文主要研究内容及意义

第二章 纳米压入法测试氧化锆陶瓷的力学性能

2.1纳米压痕测试方法

2.1.1纳米压痕设备

2.1.2连续刚度法（CSM）测量弹性模量和硬度

2.1.3连续刚度法（CSM）测试蠕变行为

2.2实验试样制备

2.3实验方法

2.4压入深度和应变率对氧化锆陶瓷弹塑性性能的影响

2.4.1 接触刚度

2.4.2 硬度和弹性模量

2.4.3 蠕变性能

2.5 本章小结

第三章 有限元法模拟纳米压痕实验过程

3.1 建立有限元模型

3.1.1 模型建立

3.1.2 材料属性

3.1.3 网格划分

3.1.4 分析步设置

3.1.5 接触和边界条件

3.2 氧化锆陶瓷应力-应变关系的确定

3.2.1 量纲分析

3.2.2 纳米压痕问题的量纲分析

3.2.3 反演分析求解应力-应变关系

3.2.4 推导结果可靠性验证

3.3 有限元分析氧化锆陶瓷弹塑性形变

3.3.1 应力分析

3.3.2 弹塑性变形分析

3.4本章小结

第四章 全文总结与展望

4.1全文总结

4.2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文