力電脈沖作用下壓電陶瓷疲勞裂紋擴展模擬與實驗驗證

壓電陶瓷由于強度與斷裂韌度低，在極化與服役中極易產(chǎn)生缺陷，疲勞斷裂是其最危險的失效形式。與靜態(tài)載荷不同，壓電器件的實際載荷往往是脈沖形式。而現(xiàn)階段研究側(cè)重于對交變電場所致疲勞斷裂的實驗研究，缺乏有效的理論模型與數(shù)值模擬手段。因此，本項目基于壓電陶瓷的疲勞試驗與理論研究現(xiàn)狀，研究的主要內(nèi)容包括斷裂參數(shù)的高效精確計算方法、有效的裂紋模型、壓電裂紋擴展的斷裂準則、不同載荷條件下的疲勞裂紋擴展公式等。課題主要創(chuàng)新性成果有：率先將相互作用積分法引入對壓電裂紋的邊界元分析中；提出磁電介質(zhì)界面裂紋斷裂參數(shù)計算公式；提出一種新的斷裂參數(shù)——周向機械應變能釋放率，實現(xiàn)了對壓電裂紋擴展方向的快捷計算，并考慮斷裂韌度的各向異性提出修正的最大周向機械應變能釋放率準則，成功對壓電裂紋擴展路徑的準確模擬；對機械循環(huán)載荷下考慮裂尖小范圍疇變與塑性屈服，對電致疲勞考慮裂尖電屈服的條狀飽和區(qū)模型，對壓電裂紋疲勞擴展公式中的控制參量進行了合理選擇。最終，課題組開發(fā)了高效穩(wěn)定的通用邊界元軟件平臺，實現(xiàn)了對壓電裂紋準靜態(tài)擴展以及疲勞裂紋擴展的數(shù)值模擬與壽命預測。研究成果對于壓電陶瓷的疲勞斷裂理論與可靠性設計都具有十分重要的科學意義和實用價值。

壓電陶瓷的強度與斷裂韌度低，在極化與服役中極易產(chǎn)生缺陷，疲勞斷裂是其最危險的失效形式。與靜態(tài)載荷不同，壓電器件的實際載荷往往是脈沖形式。機械脈沖會引起不可忽視的慣性效應；電脈沖持續(xù)時間極短、峰值高，對電子器件的危害性極大。而現(xiàn)階段研究側(cè)重于對交變電場所致疲勞斷裂的實驗研究，缺乏有效的理論模型與數(shù)值模擬手段。因此，本項目首先根據(jù)文獻中各種交變載荷下壓電陶瓷的疲勞試驗與理論分析結(jié)果，宏細觀相結(jié)合建立多尺度疲勞模型。宏觀唯象模型考慮動載的慣性效應與電致疇壁運動，細觀損傷機制考慮裂尖小范圍疇變與塑性屈服。分析確定疲勞裂紋擴展的控制參量與準則，并提出多參數(shù)擴展公式；進而開發(fā)高效穩(wěn)定的通用邊界元軟件平臺，實現(xiàn)疲勞裂紋擴展的數(shù)值模擬與壽命預測。針對典型力電脈沖情況，應用此數(shù)值軟件進行實例模擬，與實驗對比逐步完善模型與軟件。研究成果對于壓電陶瓷的疲勞斷裂理論與可靠性設計都具有十分重要的科學意義和實用價值。

疲勞裂紋擴展速率da/dN，是在疲勞載荷作用下，裂紋長度a隨循環(huán)周次N的變化率，反映裂紋擴展的快慢。

疲勞載荷：在工程上引起的疲勞破壞的應力或應變有時呈周期性變化，有時是隨機的。

疲勞裂紋：某些材料在連續(xù)交變應力作用下，會在其表面逐漸生成裂紋，并隨著作用時間而逐漸向縱深發(fā)展。使裂紋打一展，試件的力學性能下降，最終導致完全斷裂。應該指出，有些材料耐初始裂紋生長的性能很好，但一旦生成卻發(fā)展很快。而另一些材料就正好相反。

疲勞裂紋擴展速率1區(qū)

是低速率區(qū)。該區(qū)域內(nèi)，隨著應力強度因子幅度

若

當

研究疲勞裂紋門檻值在理論上和實際工程應用上都是有意義的。十分明顯，一般的機械零件和工程構件是不會以來作為設計指標的。因為數(shù)值很低，如以來作為設計標準，這無疑是要求工作應力很低或者容許的裂紋尺寸很小。疲勞門檻值除了因應力比R的增加而減小外，還和組織有關。

疲勞裂紋擴展速率2區(qū)

是中速率裂紋擴展區(qū)。此時，裂紋擴展速率一般在

疲勞裂紋擴展速率3區(qū)

為高速率區(qū)，在這一區(qū)域內(nèi)，da/dN大，裂紋擴展快，壽命短。其對裂紋擴展壽命的貢獻，通?？梢圆豢紤]。此區(qū)域的上限為

S-N曲線以R=-1（對稱循環(huán)）時的曲線作為基本曲線。