陶瓷热震损伤尺寸效应的实验研究与理论预报

The project studies on the size effect of ceramic thermal shock damage behavior, mainly on the experiment combing with the theoretical and numerical method..The main research contents include the following: design different size of the ceramic specimens with different microstructure (grain size and porosity) for various thermal shock experiment; obtain system characterizing between the thermal shock damage and the size of ceramic from the experiment; clarify the influence of specimen size on internal damage; using our patented, thermal shock in situ observation experiment instrument, to observe thermal shock cracking initiation and propagation process; explore the ceramic thermal shock damage initiation and evolution mechanism and elucidate the size effect on damage evolution; develop the "semi inverse method of measurement"; use the physical quantities easily measured, inverse the parameters at high temperature which is difficult to accurately measured; fill the current empty in physical parameters of different sizes at high temperature; combining with the thermal elastic mechanics theory, develop the quantitative numerical prediction method by using the microscopic damage model; provide theoretical basis and technical reserves for the use of thermal shock standard test instead of sampling destructive experiment. .The study also promotes the thermal shock damage mechanism and the development of solid mechanics and heat related theory.

本项目拟以实验为重点，通过理论和数值相结合来研究陶瓷热震损伤行为的尺寸效应。主要包含以下研究内容：设计不同尺寸、具有不同微结构（晶粒尺寸和孔隙率）陶瓷试件系列热震强度下的实验，获取临界热震温差与微结构的关联规律，获取陶瓷材料热震裂纹与微结构关联的系统表征，阐明热震损伤的尺寸影响规律；用已申请专利的热震裂纹原位观测实验仪，动态观测热震裂纹的萌生和高速扩展过程，探索陶瓷材料热震损伤萌生和演化机理；发展我们提出的 “半逆测量法”，利用容易测量的物理量，反演难以准确测量的高温物性参数，以填补目前在高温变温和不同尺寸下物性参数的空白或不准确；结合热弹性力学理论，利用细观损伤模型发展定量数值预报方法，为采用标准试件评价陶瓷构件的抗热震性能代替当前普遍采用的样品抽样破坏性实验提供理论依据和技术储备。同时推进热震损伤机理的研究，促进固体力学热力相关理论的发展。

陶瓷材料具有优异的高温力学性能，广泛应用于极端高温领域。改善陶瓷材料的抗热震性能是该领域的重大课题之一，而正确评价陶瓷材料的抗热震性能是进行这一重大课题研究的基础。.我们研究了陶瓷表面应力与对流换热系数的关系，用测量的表面换热系数代替平均值，对热震过程中陶瓷表面应力的差异进行了计算分析，计算结果表明在最大表面应力中引入的误差较小，但在最大应力达到时间上引入的误差较大。.我们进行了水淬试验，使用一个专门设计的装置，保证了对裂纹的实时观测。我们捕捉到了由许多研究人员准确预测的裂纹图案周期性和层次性的特点，发现陶瓷水淬裂纹扩展是一个准静态过程。进一步，我们在实验上揭示了淬火温度差和试件尺寸对热震裂纹扩展速度的影响。通过对裂纹扩展速率与细观损伤力学数值计算结果的比较，验证了该方法的可行性。.此外，我们研究了预制裂纹对陶瓷淬火裂纹扩展的影响，发现随着预制裂纹角的增大，次生裂纹的总垂直长度增大；次生裂纹出现的概率也会随着预制裂纹的角度而增加，采用细观损伤力学方法模拟了热冲击裂纹与预制裂纹的相互作用，计算结果与实验结果吻合较好，说明研究热冲击裂纹扩展的细观损伤力学也是预测热冲击裂纹与预制裂纹相互作用的一种好方法。.总之，我们首创性的对陶瓷热震裂纹的实时扩展进行了观测，试验结果支持了我们的计算方法，并对以往的一些理论进行了甄别和验证。我们研制的实验装置填补了陶瓷热震裂纹实时观测这方面的空白，这将极大推动陶瓷材料热震失效机理、抗热震性能评价理论及其应用的研究。