虚拟裂纹闭合法计算陶瓷材料断裂韧性的有效性研究

基于有限元Abaqus软件,采用虚拟裂纹闭合法的基本原理对ISO15732-2003所提SEPB法测试陶瓷材料断裂韧性进行有限元数值计算.以Si3N4、ZrO_2、Al_2O_3、ZTA、SiC五种陶瓷材料SEPB法标准实验为例,分别将虚拟裂纹闭合法计算所得断裂韧性值与标准实验测试值进行对比.结果表明:Si3N4、ZrO_2、Al_2O_3、ZTA、SiC五种陶瓷材料断裂韧性的数值计算值与实验测试值较为一致,其偏差仅分别为1.77%、1.76%、1.82%、1.55%和1.82%.进一步验证了虚拟裂纹闭合法计算断裂韧性值的有效性,同时为该方法的工程应用提供一定的理论基础.

基于应变诱导控制陶瓷预制裂纹的方法及断裂韧性评价

提出了一种简单通用的陶瓷预制裂纹新技术,在陶瓷样品上预先切出一个斜切口作为裂纹诱导源,将陶瓷与匡字型的金属梁紧密粘结在一起后进行三点弯曲加载,使样品受到下拉上压的弯曲载荷,利用金属变形对陶瓷裂纹扩展的应变约束,调整陶瓷受拉区高度可获得含不同裂纹长度的样品。对典型陶瓷Al2O3、SiC和Si3N4进行了预制裂纹试验,利用声发射技术(AE)监测陶瓷中裂纹的扩展过程,采用单边预裂纹梁法(SEPB)测量其断裂韧性。结果表明:该方法操作简便,预制裂纹成功率达到80%以上,测得的Al2O3、SiC和Si3N4断裂韧性分别为4.45±0.41 MPa·m^1/2、3.45±0.34 MPa·m^1/2和5.23±0.49 MPa·m^1/2。

Experimental and numerical study on crack propagation in pre-cracked beam specimens under three-point bending

A simultaneous experimental and numerical study on crack propagation in the pre-cracked beams specimens(concrete-like materials) is carried out using three-point bending flexural test. The crack propagation and coalescence paths of internal cracks in side beam specimens are experimentally studied by inserting double internal cracks. The effects of crack positions on the fracturing path in the bridge areas of the double cracked beam specimens are also studied. It has been observed that the breaking of concrete-like cracked beams specimens occurs mainly by the propagation of wing cracks emanating from the tips of the pre-existing cracks in the numerical and experimental analyses, respectively. The same specimens are numerically simulated by an indirect boundary element method(IBEM) known as displacement discontinuity method(DDM) using higher displacement discontinuity. These numerical results are compared with the existing experimental results. This comparison illustrates the higher accuracy of the results obtained by the indirect boundary element method by using only a small number of elements compared with the discrete element method(PFC2D code).

三种测试陶瓷材料断裂韧性的国际标准方法比较

分析了近些年国际标准（ISO）、美国标准（ASTM）以及国内标准（GB）中陶瓷材料普遍采用的三种断裂韧性标准测试方法——单边预裂纹粱法（SEPB）、表面裂纹弯曲法（SCF）和山形切口梁法（CNB）的基本原理以及优缺点，并以SiC和Si3N4材料为例，比较了三种标准方法所测断裂韧性值的差别。结果表明：1）三种标准测试方法所测断裂韧性值具有很好的一致性和可靠性，其最大误差不超过6．52％；2）山形切口法较其他两种方法的测试准确性更高，其测试值与三种方法所测均值误差不超过1．53％。本文工作，为合理选择标准方法测试陶瓷材料断裂韧性提供一定的理论基础。

陶瓷断裂韧性测试方法准确性和简便性比较分析

陶瓷是一种典型的脆性材料,如何能准确测量其断裂韧性是与陶瓷材料设计、制备和服役安全密切相关的一个研究重点。目前陶瓷断裂韧性测试方法有10余种,根据引发或诱导裂纹产生方式可分为压痕法、切口梁法、预裂纹梁法和其他方法。针对既能保障陶瓷断裂韧性测量结果的准确性,又能满足工程试验操作简便性的要求,综述了常用的压痕法、切口梁法、预裂纹梁法等3类测试方法的特点,结合所提出的新方法,对所述陶瓷断裂韧性测试方法的难点、优缺点及适用范围提出了几点建议。