力電脈沖作用下壓電陶瓷疲勞裂紋擴(kuò)展模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目摘要

壓電陶瓷的強(qiáng)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(xiǎn)的失效形式。與靜態(tài)載荷不同，壓電器件的實(shí)際載荷往往是脈沖形式。機(jī)械脈沖會(huì)引起不可忽視的慣性效應(yīng)；電脈沖持續(xù)時(shí)間極短、峰值高，對(duì)電子器件的危害性極大。而現(xiàn)階段研究側(cè)重于對(duì)交變電場(chǎng)所致疲勞斷裂的實(shí)驗(yàn)研究，缺乏有效的理論模型與數(shù)值模擬手段。因此，本項(xiàng)目首先根據(jù)文獻(xiàn)中各種交變載荷下壓電陶瓷的疲勞試驗(yàn)與理論分析結(jié)果，宏細(xì)觀相結(jié)合建立多尺度疲勞模型。宏觀唯象模型考慮動(dòng)載的慣性效應(yīng)與電致疇壁運(yùn)動(dòng)，細(xì)觀損傷機(jī)制考慮裂尖小范圍疇變與塑性屈服。分析確定疲勞裂紋擴(kuò)展的控制參量與準(zhǔn)則，并提出多參數(shù)擴(kuò)展公式；進(jìn)而開發(fā)高效穩(wěn)定的通用邊界元軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬與壽命預(yù)測(cè)。針對(duì)典型力電脈沖情況，應(yīng)用此數(shù)值軟件進(jìn)行實(shí)例模擬，與實(shí)驗(yàn)對(duì)比逐步完善模型與軟件。研究成果對(duì)于壓電陶瓷的疲勞斷裂理論與可靠性設(shè)計(jì)都具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

壓電陶瓷由于強(qiáng)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(xiǎn)的失效形式。與靜態(tài)載荷不同，壓電器件的實(shí)際載荷往往是脈沖形式。而現(xiàn)階段研究側(cè)重于對(duì)交變電場(chǎng)所致疲勞斷裂的實(shí)驗(yàn)研究，缺乏有效的理論模型與數(shù)值模擬手段。因此，本項(xiàng)目基于壓電陶瓷的疲勞試驗(yàn)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(jì)算方法、有效的裂紋模型、壓電裂紋擴(kuò)展的斷裂準(zhǔn)則、不同載荷條件下的疲勞裂紋擴(kuò)展公式等。課題主要?jiǎng)?chuàng)新性成果有：率先將相互作用積分法引入對(duì)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(jì)算公式；提出一種新的斷裂參數(shù)——周向機(jī)械應(yīng)變能釋放率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓電裂紋擴(kuò)展方向的快捷計(jì)算，并考慮斷裂韌度的各向異性提出修正的最大周向機(jī)械應(yīng)變能釋放率準(zhǔn)則，成功對(duì)壓電裂紋擴(kuò)展路徑的準(zhǔn)確模擬；對(duì)機(jī)械循環(huán)載荷下考慮裂尖小范圍疇變與塑性屈服，對(duì)電致疲勞考慮裂尖電屈服的條狀飽和區(qū)模型，對(duì)壓電裂紋疲勞擴(kuò)展公式中的控制參量進(jìn)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(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓電裂紋準(zhǔn)靜態(tài)擴(kuò)展以及疲勞裂紋擴(kuò)展的數(shù)值模擬與壽命預(yù)測(cè)。研究成果對(duì)于壓電陶瓷的疲勞斷裂理論與可靠性設(shè)計(jì)都具有十分重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值。

疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)展的快慢。

疲勞載荷：在工程上引起的疲勞破壞的應(yīng)力或應(yīng)變有時(shí)呈周期性變化，有時(shí)是隨機(jī)的。

疲勞裂紋：某些材料在連續(xù)交變應(yīng)力作用下，會(huì)在其表面逐漸生成裂紋，并隨著作用時(shí)間而逐漸向縱深發(fā)展。使裂紋打一展，試件的力學(xué)性能下降，最終導(dǎo)致完全斷裂。應(yīng)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(kuò)展速率1區(qū)

是低速率區(qū)。該區(qū)域內(nèi)，隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度

若

當(dāng)

研究疲勞裂紋門檻值在理論上和實(shí)際工程應(yīng)用上都是有意義的。十分明顯，一般的機(jī)械零件和工程構(gòu)件是不會(huì)以來作為設(shè)計(jì)指標(biāo)的。因?yàn)閿?shù)值很低，如以來作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這無疑是要求工作應(yīng)力很低或者容許的裂紋尺寸很小。疲勞門檻值除了因應(yīng)力比R的增加而減小外，還和組織有關(guān)。

疲勞裂紋擴(kuò)展速率2區(qū)

是中速率裂紋擴(kuò)展區(qū)。此時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率一般在

疲勞裂紋擴(kuò)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(kuò)展快，壽命短。其對(duì)裂紋擴(kuò)展壽命的貢獻(xiàn)，通?？梢圆豢紤]。此區(qū)域的上限為

S-N曲線以R=-1（對(duì)稱循環(huán)）時(shí)的曲線作為基本曲線。