藍寶石單晶體裂紋振動擴展機理研究.pdf

1、藍寶石單晶具有硬度大、強度高、耐磨性好和抗腐蝕性強等優(yōu)點，在民品和國防領域的應用日益廣泛，特別是因其具有優(yōu)異的光學透過性而逐漸取代尖晶石等傳統(tǒng)材料成為新型的光學窗口材料。但藍寶石單晶脆性較大，在加工和裝配光學窗口的過程中會不可避免地引入微裂紋等缺陷，而光學窗口又多在振動環(huán)境下服役，從而使得初始裂紋擴展加劇，材料性能下降，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)失效。因此開展振動條件下藍寶石單晶裂紋擴展的機理研究具有十分重要的意義。
　　使用有限元軟件Abaq

2、us，采用基于指數(shù)型Φ函數(shù)的內聚力單元法對水平和垂直振動載荷下藍寶石單晶的裂紋擴展情況進行了數(shù)值模擬。結果表明，裂紋呈階段性擴展，整個過程符合脆性材料裂紋突然開裂后迅速擴展至斷裂失效的特點。通過分析不同振動條件下模擬結果，得出振幅和頻率對裂尖區(qū)應力增長速度和集中程度，裂紋啟裂時間、擴展速度及終態(tài)長度的影響均有明顯的規(guī)律性。水平振動條件下，通過調節(jié)Ⅰ、Ⅱ型載荷大小實現(xiàn)改變振動夾角的目的，從而探究振動夾角對裂紋擴展的影響，結果表明，隨著振動

3、夾角的變小，裂紋的啟裂時間會有所增加。
　　針對模擬中所施加的振動載荷，對經壓痕法預制初始裂紋的藍寶石單晶試樣進行了振動實驗。結果表明，雖因振動臺輸出能量有限、模擬中理想簡化等原因導致實驗所得裂紋擴展時間與模擬值存在差異，但模擬得出的裂紋擴展呈階段性的結論以及頻率對裂紋擴展的影響規(guī)律得到了實驗驗證。
　　結合Chen-Chu裂尖位錯理論和Zheng-Hirt模型，對模擬和實驗所得結果進行了原理性解釋。認為振動載荷下，藍寶石單