含孔隙多相纳米陶瓷力学性能本构模型的研究

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本文建立了一个基于微结构变形机理的含孔隙纳米复相陶瓷力学性能的本构模型。通过对不同晶粒尺寸、不同孔隙率及不同二次相影响下的纳米复相陶瓷力学性能进行计算研究,最终达到构建本构模型的目的。利用所建模型对不同实验条件下的纳米复相陶瓷材料的应力.应变曲线进行预测计算,把计算结果与实验数据对比,验证模型的准确性。所做具体工作如下:   (1)把晶体材料等效成由晶粒基体相和晶界夹杂相组成的复合材料,对其应力特征做详细的研究讨论。   (2)确定晶粒相与晶粒尺寸相关的综合变形机理并获得基于此的非线性本构方程。   (3)深入研究晶界相与晶粒尺寸相关的变形机理并获得基于此的非线性本构方程。   (4)进一步考虑微孔隙的作用,研究含孔隙多相纳米陶瓷晶体内的协调变形力学理论。   (5)引入具体的二次相,在同时考虑晶粒尺寸和孔隙率的影响的前提下,研究二次相与基体相的协调变形理论。   通过以上研究,得出如下结论:   (1)纳米晶体陶瓷杨氏模量与孔隙率及晶粒尺寸的关系:杨氏模量随晶粒尺寸的减小而下降,且在相对较大晶粒(>20 nm)范围内,杨氏模量减小的很慢,当粒径小于20 nm时,杨氏模量会迅速下降。孔隙不影响杨氏模量与晶粒尺寸的关系,随着孔隙率的增加,杨氏模量也会明显地降低。   (2)纳米晶体陶瓷屈服强度与晶粒尺寸及孔隙率的关系:屈服强度随粒径的发展趋势基本复合H-P关系,同时,计算结果也显示孔隙对纳米晶体TiO2的屈服强度有显著影响。在曲线随着孔隙率的增加而逐渐向下移动的过程中,能够发现屈服强度随着粒径的减小从粗晶区向纳米尺度范围内过渡的基本性质。   (3)不同孔隙率对流变应力的影响:流变应力随着孔隙率的增加而减小,并且斜率都不相同。   (4)不同晶粒尺寸对流变应力的影响:虽然应变硬化率随着粒径的减小稍有降低,但所有的曲线都存在一个应变硬化行为,并且流变应力的值随着粒径的减小而增大。   (5)二次相晶粒尺寸对纳米复相陶瓷力学性能的影响:随着二次相晶粒尺寸de的增大,复相陶瓷的杨氏模量和屈服强度都会变大,但随着晶粒尺寸的增大,这种变化趋势就变得不明显。   (6)二次相的硬度对复相陶瓷力学性能的影响:存在相对基体较硬的二次相会使纳米复相陶瓷的杨氏模量和屈服强度均有所提高。反之较软的二次相将会导致复相陶瓷的弹性模量和屈服强度的降低。且这种影响与二次相的体积分数相关。
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