【摘 要】
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氧化锆陶瓷具有高强度、高断裂韧性等优异性能,在航空航天和生物医学等领域有着广泛应用。氧化锆陶瓷的力学行为与其中四方相到单斜相（t-m）的相变行为密切相关。t-m相变对扩展裂纹的相变增韧效应是氧化锆陶瓷的高断裂韧性主要来源。t-m相变的可逆性使氧化锆陶瓷成为潜在的高温形状记忆陶瓷。然而,氧化锆陶瓷中自发发生相变时也可能伴随着晶间微裂纹的形成和力学性能下降。同时,氧化锆陶瓷的力学行为还会受到晶粒尺寸、
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氧化锆陶瓷具有高强度、高断裂韧性等优异性能,在航空航天和生物医学等领域有着广泛应用。氧化锆陶瓷的力学行为与其中四方相到单斜相（t-m）的相变行为密切相关。t-m相变对扩展裂纹的相变增韧效应是氧化锆陶瓷的高断裂韧性主要来源。t-m相变的可逆性使氧化锆陶瓷成为潜在的高温形状记忆陶瓷。然而,氧化锆陶瓷中自发发生相变时也可能伴随着晶间微裂纹的形成和力学性能下降。同时,氧化锆陶瓷的力学行为还会受到晶粒尺寸、环境温度等因素的影响。目前学界对氧化锆陶瓷的研究大多基于实验和相变准则或宏观本构模型,从微结构出发研究氧化锆陶瓷力学行为的介观尺度数值模型比较少见。本文建立了模拟四方相氧化锆中t-m相变演化和裂纹扩展的相场模型并考虑了晶粒尺寸和温度效应对t-m相变的影响,首次从介观尺度对四方相氧化锆的断裂行为和相变增韧效应、相变诱导微裂纹形核等问题的力学机理进行了揭示,并探讨了晶粒尺寸和环境温度等因素对四方相氧化锆相变过程和宏观力学响应的影响。本文的主要研究内容如下:（1）建立了模拟四方相单晶氧化锆t-m相变和裂纹扩展的耦合相场模型,研究了0°和90°晶向的单晶中t-m相变对裂纹扩展行为的影响。模拟结果表明:t-m相变从裂纹端部开始形核并向周边扩展,t-m相变可以显著降低裂纹端部的应力水平,并对裂纹扩展产生抑制作用,从而产生增韧效应;对于沿铅垂方向扩展的裂纹,90°晶向单晶的相变增韧效应强于0°晶向的单晶。（2）为了模拟四方相氧化锆多晶（TZP）中相变诱导晶界微裂纹形核的现象,对模拟断裂过程的相场模型进行了改进,对断裂相场模型中的弹性能进行了拉压分解,以避免压缩应力诱导裂纹形核的不合理现象。在此基础上,构建了模拟TZP中t-m相变和晶界微裂纹形核的耦合相场模型。利用所发展的裂纹相场模型,研究了纯剪切单变体应力场在变体角点处诱导微裂纹形核的现象,通过与理论结果对照,验证了相场模型的合理性。之后,利用构建的耦合相场模型,研究了TZP中t-m相变在晶界处诱导晶间微裂纹萌生的现象,通过分析相变变体与微裂纹的分布关系,发现变体宽度及变体与晶界的夹角对相变诱导微裂纹形核具有重要影响,揭示了相变诱导晶间微裂纹形核的力学机理。（3）建立了表征四方相氧化锆多晶（TZP）中t-m相变的温度效应和晶粒尺寸效应的相场模型。在该模型中,对表征t-m相变过程的化学能泛函进行了修正,考虑了温度对t-m相变能量壁垒的影响。同时,在相场模型中引入额外晶界能来刻画晶界对相变的抑制作用,并对马氏体孪晶间的界面能与奥氏体-马氏体间的界面能作了区分。利用建立的相场模型,研究了TZP在单向拉伸和压载荷作用下的力学响应,探讨了晶粒尺寸和环境温度对TZP陶瓷形状记忆效应和伪弹性效应的影响,分析了TZP在拉压载荷作用下力学响应具有不对称性的内在物理机理。（4）采用基于单势阱能量泛函的裂纹相场模型,构建了模拟TZP中裂纹扩展和形核过程以及t-m相变过程的耦合相场模型。利用所构建的相场模型,研究了静止裂纹端部应力诱导相变的现象,探讨了环境温度、载荷大小以及晶体取向等因素对裂纹端部相变区大小和形态的影响,通过应力分析揭示了相变对静止裂纹扩展的增韧效应。之后,利用所发展的耦合相场模型,研究了TZP中的裂纹扩展行为,模拟结果显示,TZP中的裂纹扩展伴随着裂纹偏转、分叉和汇合等复杂现象。在此基础上,探讨了晶界强弱、晶向以及外载荷等因素对裂纹扩展路径和形态的影响。当裂纹沿固定路径扩展时,通过计算裂纹扩展过程中的能量释放率,对t-m相变对裂纹扩展过程中的增韧效应进行了定量表征。
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