CN113139300B - 陶瓷微孔致裂强度定量预测方法、装置、计算机设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了陶瓷微孔致裂强度定量预测方法、装置、计算机设备及存储介质，具体为涉及一种考虑表面微孔致裂的精细陶瓷破坏强度定量预测方法，从微孔致裂角度出发，结合经典裂纹‑强度预测模型，通过引入垂直于最大拉应力方向上微孔表面的最小尖端半径r与应力强度因子关系的系数，建立具有明确物理意义的微孔‑强度预测模型，并达到极高的预测精度，可以利用本发明预测特定精细陶瓷在准静态加载模式下的受力极限，为精细陶瓷的可靠应用提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷破坏强度定量预测方法、装置、计算机设备及存储介质，具体涉及一种考虑表面微孔致裂的精细陶瓷破坏强度定量预测方法，属于精细陶瓷应用的技术领域。
背景技术
作为未来高超声速飞行器和高推重比航空发动机等装备研发的重要候选材料，精细陶瓷因其高熔点、高强度、高硬度、高耐磨性以及优异的化学稳定性和抗氧化烧蚀性能等而著称，在航空航天领域具有广阔的应用前景。在民用领域，精细陶瓷可以替代金属材料用于制造轴承、汽轮机叶片、机械密封环以及切割加工零件等。然而精细陶瓷在制备和加工过程中不可避免的会引入微孔类缺陷，而其本征脆性和较低的损伤容限导致材料极易在微孔处开裂，进而发生灾难性破坏，大大限制了精细陶瓷的推广应用，因此准确评价精细陶瓷的微孔敏感性并量化固有微孔对材料强度的影响显得尤为重要。
过去人们往往采用概率统计的方法，如威布尔分布和正态分布，描述结构陶瓷承载极限的离散行为。虽能够建立起孔洞分布、晶粒尺寸与材料失效强度及失效概率的关系，但统计学法只能定性，对于特定材料或部件的承载无法做出定量评价。经典断裂理论指出，当最大拉应力达到临界值时，应力集中处会萌生裂纹并导致材料或结构失效。根据该理论，针对简单裂纹问题，Murakami和Endo建立了裂纹垂直于最大拉应力方向的截面积与材料承载极限的定量化关系模型。2018年，Sato和Takahashi在其基础上，提出了精细陶瓷承载极限与材料原始强度、断裂韧性以及裂纹截面积的关系模型，并通过压痕-强度法验证了其有效性。
虽然含裂纹精细结构陶瓷承载极限能够通过上述方法进行准确评价，但微孔与裂纹存在本质上的不同，而现有研究没有提出一种定量的含微孔精细陶瓷承载极限准确评价的判断方法，限制了精细陶瓷的推广应用。因此，开发一种精度更高且适用范围更广的精细陶瓷破坏强度定量预测方法，对于进一步推进精细陶瓷的可靠应用并拓宽其应用范围具有重要现实意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种陶瓷破坏强度定量预测方法、装置、计算机设备及存储介质，能够定量预测含孔洞精细陶瓷的破坏强度。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了陶瓷微孔致裂强度定量预测方法，所述方法包括如下步骤：
测量陶瓷表面微孔的几何形貌；
将几何形貌特征参数和陶瓷材料参数代入预定的强度预测模型，得到破坏强度σ f ；
比较σ f 与原始强度σ 0的大小，若σ f ＜σ 0，则该微孔会导致陶瓷材料在低于原始强度值时发生断裂，反之，则无影响。
结合第一方面，进一步的，所述几何形貌特征参数包括：微孔垂直于拉应力方向上截面积area，垂直于最大拉应力方向上微孔表面的尖端半径r；
所述陶瓷材料参数包括：断裂韧性K Ic ，材料的平均晶粒尺寸G，与材料泊松比有关的常数n，无量纲材料常数β。
进一步的，所述强度预测模型为：
。
进一步的，所述泊松比为0和0.3时，n为0.629和0.650，泊松比为其他值时，n值通过插值法获得。
进一步的，当陶瓷材料中微孔尺寸和形状的不规则时，所述r取area两端对应两个尖端半径的最小值。
进一步的，所述β范围值为0.7~1.3，不包括端点值。
进一步的，所述陶瓷表面微孔的几何形貌采用无损检测设备或粗糙度分析仪进行测量。
第二方面，本发明提供了陶瓷微孔致裂强度定量预测装置，所述装置包括：
测量模块：用于测量陶瓷表面微孔的几何形貌；
计算模块：用于将几何形貌特征参数和陶瓷材料参数代入预定的强度预测模型，得到破坏强度σ f ；
研判模块：比较σ f 与原始强度σ 0的大小，若σ f ＜σ 0，则该微孔会导致陶瓷材料在低于原始强度值时发生断裂，反之，则无影响。
第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行前述任一项所述方法的步骤。
第四方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行前述任一项所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果包括：
本发明通过引入描述微孔尖端曲率半径，即垂直于最大拉应力方向上微孔表面的最小尖端半径r与临界应力强度因子关系的系数，提供一种陶瓷破坏强度定量预测方法、装置、计算机设备及存储介质，实现了精细陶瓷中无法消除的微孔类缺陷对材料强度影响的定量评价；
相比于统计学方法，该方法可以对特定材料或部件的强度进行定量预测，有利于判定材料或部件是否能够满足特定场合的使用需求，便于科学准确的剔除废品，保留合格材料和产品，提高材料利用率及使用安全性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的表面微孔粗糙度分析仪测量结果示意图；
图2是本发明实施例提供的Si3N4陶瓷微孔-强度响应模型预测与实验结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明一种陶瓷破坏强度定量预测方法、装置、计算机设备及存储介质提出一种以微孔垂直于拉应力方向上截面积和微孔尖端半径为输入参量的精细陶瓷承载极限判定方法。考虑到微孔的尖锐度与裂纹存在本质不同，本发明将临界应力强度因子与尖端半径关系模型引入含裂纹精细陶瓷强度预测模型，提出含微孔精细陶瓷破坏强度定量预测模型：
其中，σ f 为破坏强度，K Ic 为断裂韧性，σ 0为原始强度，area为微孔垂直于拉应力方向上截面积，r为垂直于最大拉应力方向上微孔表面的最小尖端半径，G为材料的平均晶粒尺寸，n为与材料泊松比有关的常数，β为无量纲材料常数，对于不同陶瓷，其值介于0.7~1.3。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
（1）利用无损检测设备或粗糙度分析仪测量表面微孔的几何形貌，提取如图1所示的表面微孔特征；
（2）从图1中提取微孔垂直于拉应力方向上截面积area和垂直于最大拉应力方向上微孔表面的最小尖端半径r，考虑到陶瓷材料中微孔尺寸和形状的不规则性，area两端对应两个尖端半径（r 1和r 2），r取两者的最小值；
（3）根据材料断口形貌观测获取精细陶瓷的平均晶粒尺寸G；
（4）根据测试标准获取对应陶瓷材料的原始强度σ 0、断裂韧性K Ic 和泊松比，根据泊松比，通过插值法获得n值，泊松比为0和0.3时，n为0.629和0.650，泊松比为其他值时，n值通过插值法获得；
（5）根据横纵坐标分别为和K c /K Ic 的坐标系中实测数据点结果线
性拟合后的斜率值获得β值，其中ρ为直通切口的尖端半径，K c 为不同ρ值下单边V型切口梁
法测得的临界应力强度因子。
（6）将上述各参数代入破坏强度定量预测模型，获得特定精细陶瓷在特定微孔作用下的破坏强度σ f ，并与σ 0进行比较，若σ f ≥σ 0，则该微孔对陶瓷材料强度没有影响，此时，σ f =σ 0；若σ f ＜σ 0，则该微孔会导致陶瓷材料在低于原始强度值时发生断裂。
如图2所示，是本发明实施例提供的Si3N4陶瓷微孔-强度响应模型预测与实验结果对比图，通过激光方法在Si3N4陶瓷表面引入了微孔截面积area介于1008μm2和36240μm2之间，最小尖端半径r均为19μm的微孔，Si3N4陶瓷原始强度σ 0为664MPa，断裂韧性K Ic 为5.20MPa·m1/2，泊松比为0.23，平均晶粒尺寸G为1.5μm，β为0.884，代入模型计算得如图2实线所示结果，与实验结果（图中空心圆点）对比发现两者极为吻合，与过去提出的基于Gómez应力强度因子与切口尖锐度关系的微孔-强度模型预测结果相比，新模型的精度更高，特别是在微孔截面积较小时，模型预测结果很好。例如当area为1008μm2时，实验平均值、新模型预测值和旧模型预测值分别为651MPa、606MPa和570MPa，新模型预测精度提升了6%，高达93%。
本发明相比于统计学方法，该方法可以对特定材料或部件的强度进行定量预测，实现了精细陶瓷中无法消除的微孔类缺陷对材料强度影响的定量评价，有利于判定材料或部件是否能够满足特定场合的使用需求，推进精细陶瓷的可靠应用并拓宽其应用范围，便于科学准确的剔除废品，保留合格材料和产品，提高材料利用率及使用安全性，推进精细陶瓷的可靠应用并拓宽其应用范围。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.陶瓷微孔致裂强度定量预测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
测量陶瓷表面微孔的几何形貌；
将几何形貌特征参数和陶瓷材料参数代入预定的强度预测模型，得到破坏强度σf；
比较σf与原始强度σ0的大小，若σf＜σ0，则该微孔会导致陶瓷材料在低于原始强度值时发生断裂，反之，则无影响；
所述几何形貌特征参数包括：微孔垂直于拉应力方向上截面积area，垂直于最大拉应力方向上微孔表面的尖端半径r；
所述陶瓷材料参数包括：断裂韧性KIc，材料的平均晶粒尺寸G，与材料泊松比有关的常数n，无量纲材料常数β；
所述强度预测模型为：
2.根据权利要求1所述的陶瓷微孔致裂强度定量预测方法，其特征在于，所述泊松比为0和0.3时，n为0.629和0.650，泊松比为其他值时，n值通过插值法获得。
3.根据权利要求1所述的陶瓷微孔致裂强度定量预测方法，其特征在于，当陶瓷材料中微孔尺寸和形状的不规则时，所述r取area两端对应两个尖端半径的最小值。
4.根据权利要求1所述的陶瓷微孔致裂强度定量预测方法，其特征在于，所述β范围值为0.7～1.3，不包括端点值。
5.根据权利要求1所述的陶瓷微孔致裂强度定量预测方法，其特征在于，所述陶瓷表面微孔的几何形貌采用无损检测设备或粗糙度分析仪进行测量。
6.陶瓷微孔致裂强度定量预测装置，其特征在于，所述装置包括：
测量模块：用于测量陶瓷表面微孔的几何形貌；
计算模块：用于将几何形貌特征参数和陶瓷材料参数代入预定的强度预测模型，得到破坏强度σf；
所述几何形貌特征参数包括：微孔垂直于拉应力方向上截面积area，垂直于最大拉应力方向上微孔表面的尖端半径r；
所述陶瓷材料参数包括：断裂韧性KIc，材料的平均晶粒尺寸G，与材料泊松比有关的常数n，无量纲材料常数β；
所述强度预测模型为：
研判模块：比较σf与原始强度σ0的大小，若σf＜σ0，则该微孔会导致陶瓷材料在低于原始强度值时发生断裂，反之，则无影响。
7.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～5任一项所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1～5任一项所述方法的步骤。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 层状陶瓷复合材料的制备技术及其研究发展现状和趋势;江涛;《硅酸盐通报》;第38卷(第8期);2475-2491 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113139300A (zh) | 2021-07-20 |
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