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先进陶瓷材料的强韧性及抗热震性研究

作　者: 李艳征
导　师: 赵军
学　校: 山东大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 残余热应力强韧性抗热震性纳米复合梯度功能材料
分类号: TQ174
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

本论文以纳米复合陶瓷刀具材料的残余热应力、强韧性和抗热震性以及不同形状梯度功能材料的抗热震性为研究内容，对以高强韧和高抗热震性为目标研究开发新型梯度功能及纳米复合陶瓷刀具材料具有重要的理论价值和实际意义。建立微观结构分析模型，求解含纳米增强相陶瓷复合材料的残余热应力，计算分析纳米增强相引起的残余热应力在基体内的分布大小及规律；研究了塑性变形对残余热应力的影响；分析了内晶型和晶间型纳米复合陶瓷材料的残余热应力。对纳米复合陶瓷刀具材料的增韧补强机制进行了较深入的研究，研究了不同热胀失配时的强韧性机理；对几种增韧机制的贡献进行了分析，导出了纳米颗粒的最佳含量计算式及临界晶粒尺寸；建立了纳米复合陶瓷材料强度与残余热应力的关系。研究了弥散TiC纳米颗粒对Al₂O₃基体和Si₃N₄基体微观结构的影响，分析了其强韧化机理。研究了纳米复合陶瓷材料的抗热震临界温差；分析了纳米复合陶瓷材料的抗热震性与断裂韧性之间的关系，导出了抗热震性与纳米增强颗粒相尺寸的关系；分析了Al₂O₃／TiC纳米复合和Si₃N₄／TiC纳米复合陶瓷材料的抗热震性。在陶瓷材料临界应力断裂理论的基础上，通过求解第三类边界条件下无限长圆柱体和球体梯度功能陶瓷材料的瞬态温度场及瞬态热应力场，得到其表面达到临界应力的临界温差，并将其定义为抗热震参数；研究了不同形状陶瓷构件的热冲击行为；并据此分别建立了引起这两种形状陶瓷构件表面临界热应力的临界温差表达式作为它们的抗热震参数；并深入分析了陶瓷构件形状对抗热震性的影响；提出高抗热震性梯度功能陶瓷材料的设计原则。

全文目录

摘要  7-8
ABSTRACT  8-10
第1章绪论  10-17
  1.1 纳米复合陶瓷材料的研究现状  11-12
    1.1.1 纳米复合陶瓷材料的研究概述  11
    1.1.2 纳米复合陶瓷材料的增韧补强机理  11-12
  1.2 陶瓷材料抗热震性的研究现状  12-13
    1.2.1 陶瓷材料抗热震性理论的研究概述  12-13
    1.2.2 陶瓷材料抗热震性的机理研究  13
  1.3 梯度功能陶瓷材料的研究现状  13-15
  1.4 存在的问题  15
  1.5 本课题研究的目的、意义及主要内容  15-17
    1.5.1 本课题研究的目的及意义  15-16
    1.5.2 本课题研究的主要内容  16-17
第2章纳米复合陶瓷材料的残余热应力解析  17-30
  2.1 考虑纳米颗粒体积分数时的残余热应力解析  17-19
  2.2 考虑多纳米颗粒作用时的残余热应力解析  19-20
  2.3 考虑塑性变形时的残余热应力解析  20-24
    2.3.1 塑性形变区的确定  21
    2.3.2 弹性形变区的应力、应变和应变能  21-23
    2.3.3 塑性变形区的应力、应变和应变能  23-24
  2.4 内晶型纳米复合陶瓷材料残余热应力  24-28
    2.4.1 内晶型纳米复合陶瓷材料模型  25
    2.4.2 残余热应力解析  25-27
    2.4.3 具体算例  27-28
  2.5 晶间型纳米复合陶瓷材料残余热应力  28-29
    2.5.1 残余热应力模型  28
    2.5.2 平均残余热应力解析  28-29
  2.6 本章小结  29-30
第3章纳米复合陶瓷材料的强韧性研究  30-45
  3.1 α_p>α_m时的强韧性研究  30-33
    3.1.1 α_p>α_m时裂纹扩展微观过程  30-31
    3.1.2 实例分析  31
    3.1.3 颗粒的尺寸与复合材料韧性的关系  31-33
  3.2 α_p  33-36
    3.2.1 α_p  33-36
      3.2.1.1 裂纹穿过纳米颗粒时的克服能量计算  33-34
      3.2.1.2 裂纹绕过两相界面扩展时的克服能量计算  34-36
    3.2.2 实例分析  36
  3.3 纳米复合陶瓷材料桥联增韧机制的贡献  36-38
  3.4 残余热应力的增韧贡献  38-39
  3.5 纳米颗粒与屈服应力的关系  39-41
  3.6 纳米复合陶瓷材料强度与残余热应力的关系  41-44
  3.7 本章小结  44-45
第4章纳米复合陶瓷材料的抗热震性研究  45-52
  4.1 抗热震临界温差解析  45-47
    4.1.1 有关假设  45
    4.1.2 临界温差的解析  45-47
  4.2 抗热震性与断裂韧性的关系  47-48
  4.3 抗热震性与纳米增强颗粒尺寸的关系  48-49
  4.4 抗热震性试验  49-51
    4.4.1 Al_2O_3/TiC纳米复合材料的抗热震性试验  49-50
    4.4.2 Si_3N_4/TiC纳米复合材料的抗热震性试验  50-51
  4.5 本章小结  51-52
第5章梯度功能陶瓷材料的抗热震性研究  52-74
  5.1 第三类边界条件下梯度功能材料的瞬态温度场解析  52-55
    5.1.1 第三类边界条件下的瞬态温度场模型  52-53
    5.1.2 第三类边界条件下的瞬态温度场推导  53-55
  5.2 无限长梯度功能圆柱体的热应力场解析  55-62
    5.2.1 热应力场推导  55-59
    5.2.2 无限长梯度功能圆柱体的抗热震参数计算  59-61
    5.2.3 具体算例  61-62
  5.3 梯度功能球体的热应力场解析  62-69
    5.3.1 热应力场推导  62-67
    5.3.2 梯度功能圆球体的抗热震参数计算  67-68
    5.3.3 具体算例  68-69
  5.4 不同形状的梯度功能材料与均质材料的抗热震性比较  69-73
    5.4.1 不同构件形状的温度场比较  69-70
    5.4.2 梯度功能材料与均质材料的抗热震性比较  70-73
  5.5 本章小结  73-74
结论  74-75
参考文献  75-79
攻读硕士学位期间发表的论文  79-80
致谢  80

先进陶瓷材料的强韧性及抗热震性研究

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