CN113158491B - 陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法、装置、计算机设备及存储介质 - Google Patents

陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法、装置、计算机设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法、装置、计算机设备及存储介质，通过引入描述微孔形状复杂程度的系数，将截面形状对称规则的微孔问题转化为不规则微孔问题，进而提出了一种能够判定含类梯形截面微孔的先进陶瓷强度极限方法，为先进陶瓷的可靠应用提供指导。

Description

陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法、装置、计算机设备及存 储介质
技术领域
本发明涉及陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法、装置、计算机设备及存储介质，具体涉及一种含异形微孔先进陶瓷的强度极限判，属于先进陶瓷应用的技术领域。
背景技术
先进陶瓷因其高熔点、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、机械制造、生物医药等领域有着广阔的应用前景。然而陶瓷材料的本征脆性导致其对微观缺陷特别敏感，特别是微孔。先进陶瓷由于其粉末烧结的特性导致在制备过程中不可避免的会引入微孔，且微孔的尺寸和形状各异，定量评价这些微孔对先进陶瓷强度的影响至关重要。
裂纹问题可以视为微孔问题的极限情况，即微孔尖端半径达到原子级别，现有的先进陶瓷强度预测主要针对裂纹问题，如：基于表面裂纹应力强度因子经验计算的Newman-Raju模型和Strobl模型、基于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的Murakami-Endo模型和Sato-Takahashi模型。现有技术中对先进陶瓷微孔-强度定量预测模型是基于Sato-Takahashi裂纹-强度预测模型，通过引入应力强度因子与切口尖锐度关系提出，但该模型基于的裂纹-强度预测模型是在对称规则截面裂纹基础上推导得到的，如：矩形截面、半椭圆截面等，对于不规则微孔问题无法适用，而且往往是高估强度值，R.W. Rice和S.S. Scherrer等人于2002年和2011年分别报道了陶瓷表面都存在类梯形截面微孔影响到材料强度，这对于先进陶瓷的强度评价及可靠应用极为不利。
因此，开发一种能够预测含不规则微孔先进陶瓷的强度极限判定方法显得愈发迫切，对于进一步推进先进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，提供陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法、装置、计算机设备及存储介质，准确进行先进陶瓷含有不规则微孔的强度极限判定。
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，本发明提供了陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法，包括如下步骤：
测量陶瓷表面微孔的几何形貌；
将表面微孔的几何形貌特征参数和先进陶瓷材料参数代入预定的极限判定模型，得出与类梯形截面微孔相同截面积时，对称规则微孔作用下先进陶瓷的强度极限σ fr ；
根据计算得到描述微孔形状复杂程度的系数k；
将σ fr 和k代入公式，得到类梯形截面微孔作用下先进陶瓷的强度极限σ fi ；
比较σ fi 与原始强度σ 0的大小，若σ fi ＜σ 0，则该微孔会导致先进陶瓷在低于原始强度值时发生断裂，强度极限降低，反之，则无影响。
结合第一方面，进一步的，所述极限判定模型为：
，
其中，K Ic 为断裂韧性，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尖端半径，n为与材料泊松比有关的常数，k为描述微孔形状复杂程度的系数，θ为类梯形截面微孔斜边与微孔长度方向夹角。
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，所述k范围为0.82~1，不包括端点值。
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r 1和r 2的最小值。
进一步的，所述表面微孔的几何形貌包括：微孔两端对应两个尖端半径r 1和r 2、微孔两端深度D 1和D 2、微孔长度L。
进一步的，所述area=(D 1+D 2)×L/2，tanθ=|D 1-D 2|/L。
第二方面，本发明提供了一种陶瓷破坏强度极限判定装置，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：将表面微孔的几何形貌特征参数和先进陶瓷材料参数代入预定的极限判定模型，得出与类梯形截面微孔相同截面积时，对称规则微孔作用下先进陶瓷的强度极限σ fr ；
根据计算得到描述微孔形状复杂程度的系数k；
将σ fr 和k代入公式，得到类梯形截面微孔作用下先进陶瓷的强度极限σ fi ；
研判模块：比较σ fi 与原始强度σ 0的大小，若σ fi ＜σ 0，则该微孔会导致先进陶瓷在低于原始强度值时发生断裂，强度极限降低，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形状复杂程度的系数，将截面形状对称规则的微孔问题转化为不规则微孔问题，将先进陶瓷中异形微孔进行简化等效，陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法，实现了先进陶瓷中无法消除的类梯形截面微孔对材料强度影响的定量评价；
本发明提供的陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法、装置、计算机设备及存储介质，可以对特定材料或部件的强度进行定量预测，有利于提高先进陶瓷材料利用率及使用安全性，为先进陶瓷的可靠应用提供指导。
附图说明
图1是本发明实施例提供的含类梯形截面微孔5Y-TZP陶瓷试样三点弯曲测试的载荷-位移曲线图；
图2是根据本发明实施例提供含类梯形截面微孔5Y-TZP陶瓷试样断口形貌图。
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。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。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。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
本发明提出一种能够判定含类梯形截面微孔的先进陶瓷强度极限方法，具体预测模型为：
(1)
(2)
(3)
其中，σ fi 为类梯形截面微孔作用下先进陶瓷的强度极限，σ fr 为相同截面积时对称规则微孔作用下先进陶瓷的强度极限，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，n为与材料泊松比有关的常数，k为描述微孔形状复杂程度的系数，θ为类梯形截面微孔斜边与微孔长度方向夹角。
根据测试标准获取对应先进陶瓷的原始强度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；
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，提取表面微孔特征，包括：微孔两端对应两个尖端半径（r 1和r 2）、微孔两端深度（D 1和D 2）、微孔长度L；
根据梯形面积公式(D 1+D 2)×L/2计算微孔垂直于拉应力方向上截面积area；
考虑到先进陶瓷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取两者的最小值代入公式(1)，公式(1)中同时代入σ 0、K Ic 、n、area，得到相同截面积时对称规则微孔作用下先进陶瓷的强度极限σ fr ；
根据|D 1-D 2|/L计算tanθ值，再将tanθ值代入公式(2)，得到k值；
将σ fr 值和k值代入公式(3)，得到类梯形截面微孔作用下先进陶瓷的强度极限σ fi 值，并与σ 0进行比较，若σ fi ≥σ 0，则该微孔对先进陶瓷强度极限没有影响，此时，先进陶瓷强度极限值σ fi =σ 0；若σ fi ＜σ 0，则该微孔会导致先进陶瓷在低于原始强度值时发生断裂，此时，先进陶瓷强度极限值为σ fi 计算值。
通过激光方法在氧化钇稳定的氧化锆陶瓷（5Y-TZP）表面引入了类梯形截面微孔，测量得微孔两端对应的最小尖端半径r为30μm，通过三点弯曲测得含该微孔5Y-TZP陶瓷试样的临界破坏载荷为260.7N，如图1所示为含类梯形截面微孔5Y-TZP陶瓷试样三点弯曲测试的载荷-位移曲线，根据试样宽度4.02mm、高度3.01mm和跨距30mm，计算得含该微孔5Y-TZP陶瓷试样的实际破坏强度σ f 为322MPa。
测试得5Y-TZP陶瓷原始强度σ 0为926MPa，断裂韧性K Ic 为5.37MPa·m1/2，泊松比为0.3，则n为0.650；根据试样断口形貌测得微孔两端深度D 1和D 2分别为142μm和336μm，微孔长度L为363μm，含类梯形截面微孔5Y-TZP陶瓷试样断口形貌图如图2所示。
根据梯形面积公式(D 1+D 2)×L/2计算微孔垂直于拉应力方向上截面积area为86757μm2，将σ 0=926MPa、K Ic =5.37MPa·m1/2、n=0.650、r=30μm、area=86757μm2代入公式(1)，计算得模型计算得相同截面积时对称规则微孔作用下5Y-TZP陶瓷的强度极限σ fr 值为339MPa；根据|D 1-D 2|/L计算得tanθ值为0.534，再将tanθ值代入公式(2)，得到k值为0.859；将σ fr =339MPa和k=0.859代入公式(3)，得到该类梯形截面微孔作用下5Y-TZP陶瓷的强度极限σ fi 为291MPa。
对比σ fi =291MPa和σ f =322MPa可知，该模型预测精度可达90%以上，具有良好的强度极限预测效果。
本发明提出的陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法、装置、计算机设备及存储介质陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法、装置、计算机设备及存储介质，将先进陶瓷中异形微孔进行简化等效，实现了先进陶瓷中无法消除的类梯形截面微孔对材料强度影响的定量评价，本发明可以对特定材料或部件的强度进行定量预测，有利于提高先进陶瓷材料利用率及使用安全性，推进先进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 (7)

1.陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法，其特征在于，包括如下步骤：
测量陶瓷表面微孔的几何形貌；
将表面微孔的几何形貌特征参数和先进陶瓷材料参数代入预定的极限判定模型，计算得出与类梯形截面微孔相同截面积时，对称规则微孔作用下先进陶瓷的强度极限；
根据计算得到描述微孔形状复杂程度的系数/>；
将和/>代入公式/>，得到类梯形截面微孔作用下先进陶瓷的强度极限/>；
所述极限判定模型为，其中，/>为断裂韧性，/>为微孔垂直于拉应力方向上截面积，/>为垂直于最大拉应力方向上微孔表面的尖端半径，/>为与材料泊松比有关的常数，/>为类梯形截面微孔斜边与微孔长度方向夹角；
所述表面微孔的几何形貌包括：微孔两端对应两个尖端半径和/>、微孔两端深度/>和/>、微孔长度/>；/>，/>；
比较与原始强度/>的大小，若/>＜/>，则该微孔会导致先进陶瓷在低于原始强度值时发生断裂，强度极限降低，反之，则无影响。
2.根据权利要求1所述的陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法，其特征在于，所述泊松比为0和0.3时，为0.629和0.650，泊松比为其他值时，/>值通过插值法获得。
3.根据权利要求1所述的陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法，其特征在于，所述范围为0.82~1，不包括端点值。
4.根据权利要求1所述的陶瓷异形微孔破坏强度极限判定方法，其特征在于，当陶瓷材料中微孔尺寸和形状的不规则时，所述取/>两端对应两个尖端半径/>和/>的最小值。
5.陶瓷异形微孔破坏强度极限判定装置，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：将表面微孔的几何形貌特征参数和先进陶瓷材料参数代入预定的极限判定模型，得出与类梯形截面微孔相同截面积时，对称规则微孔作用下先进陶瓷的强度极限；
根据计算得到描述微孔形状复杂程度的系数/>；
将和/>代入公式/>，得到类梯形截面微孔作用下先进陶瓷的强度极限/>；
所述极限判定模型为，其中，/>为断裂韧性，/>为微孔垂直于拉应力方向上截面积，/>为垂直于最大拉应力方向上微孔表面的尖端半径，/>为与材料泊松比有关的常数，/>为类梯形截面微孔斜边与微孔长度方向夹角；
所述表面微孔的几何形貌包括：微孔两端对应两个尖端半径和/>、微孔两端深度/>和/>、微孔长度/>；/>，/>；
研判模块：比较与原始强度/>的大小，若/>＜/>，则该微孔会导致先进陶瓷在低于原始强度值时发生断裂，强度极限降低，反之，则无影响。
6.一种计算机设备，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1~4任一项所述方法的步骤。
7.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1~4任一项所述方法的步骤。
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