稜錐壓入斷裂測試中裂紋萌生和擴展機制的研究

《稜錐壓入斷裂測試中裂紋萌生和擴展機制的研究》是依託中國科學院力學研究所，由馮義輝擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：稜錐壓入斷裂測試中裂紋萌生和擴展機制的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：馮義輝
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

稜錐壓入斷裂是一種重要的試樣微區和微尺度試樣斷裂韌度測試技術，與傳統斷裂力學測試相比，制樣簡單、測試尺度小，適用於陶瓷材料和微機電系統部件的測試。稜錐壓入斷裂中的裂紋萌生和擴展機制，是影響測試方法所用分析模型建立的基礎理論問題，也是影響測試方法中實驗條件選擇和適用範圍確定的關鍵技術問題。本項目旨在研究，稜錐壓頭壓入脆性材料過程中的裂紋萌生和擴展機制，包括徑向裂紋臨界載荷模型、裂紋構形演變過程和壓入斷裂中的功-能轉化關係。本項目擬通過理論分析建立徑向裂紋臨界載荷模型，以預測壓頭幾何形狀和材料力學性能對臨界載荷的影響趨勢；通過數值計算模擬裂紋的萌生和擴展，以總結裂紋構形演變過程和功-能轉化關係；通過實驗驗證臨界載荷模型、最終裂紋構形和功-能轉化關係。本項目的完成，將可深入認識裂紋萌生和擴展的規律，理解稜錐壓入斷裂的力學機制；並將據此預測實驗條件和明確適用範圍，改善稜錐壓入斷裂測試技術的實用性。

結題摘要

稜錐壓入斷裂是一種重要的試樣微區和微尺度試樣斷裂韌度測試技術，與傳統斷裂力學測試相比，制樣簡單、測試尺度小，適用於陶瓷材料和微機電系統部件的測試。稜錐壓入斷裂中的裂紋萌生和擴展機制，是影響測試方法所用分析模型建立的基礎理論問題，也是影響測試方法中實驗條件選擇和適用範圍確定的關鍵技術問題。本項目通過理論分析，建立了稜錐壓入徑向裂紋萌生的近似模型，得到了臨界壓入載荷的顯式表達式，有助於理解和預測稜錐壓入的裂紋萌生和擴展；通過對稜錐壓入應力場的有限元數值模擬，發現等效半錐角越小的壓頭越容易製造徑向裂紋，側棱數越多的壓頭越容易製造徑向裂紋；通過實驗觀測，驗證了理論模型預測和數值模擬的結果，總結了三種典型稜錐壓頭的適用情況：cube-corner壓頭更適用於試樣尺度小、顯微觀測能力高的壓入斷裂測試，Vickers和Berkovich壓頭更適用於試樣尺度相對較大、顯微觀測能力不高的壓入斷裂測試。通過本項目的研究，有助於加深對稜錐壓入斷裂的力學機制的理解，總結典型稜錐壓頭適用範圍，改善稜錐壓入斷裂測試技術的實用性。