（化工过程机械专业论文）一种陶瓷材料表面亚表面损伤表征方法及其在磨削损伤检测中的应用.pdf

浙江- r ：业大学博十学位论文 一种陶瓷材料表面亚表面损伤表征方法 及其在磨削损伤检测中的应用 摘要 陶瓷材料具有优良的物理、化学性能，广泛应用于航空、航天、通信、石油化工、电 力、冶金、机械及现代生物医学等领域。磨削是目前陶瓷材料普遍应用的加工方法，特别 是精密和超精密磨削加工。磨削加工过程是一个材料的损伤过程，磨料通过对被加工材料 的有限度损伤而实现加工。由于陶瓷是一种典型的脆性材料，硬度高、耐磨而且韧性低， 使得其磨i i i i 工性极差，极易产生表面亚表面磨削损伤，从而大大降低陶瓷材料零件的 寿命，甚至直接导致零件的报废。因此，对工程陶瓷磨削损伤进行全面深入研究和了解是 非常重要的。 目前，对于陶瓷材料的磨削损伤问题主要从实验和理论研究、数值模拟等三个方面研 究其损伤问题，分别从损伤的各种表现形式如微裂纹、残余应力等方面进行研究。本文基 于连续损伤力学理论和纳米压痕划痕测试技术，提出了一种弹性模量退化型陶瓷材料表 面亚表面损伤表征方法，根据球锥形压头下的纳米压痕实验数据，推导得到微纳尺度压 痕局部区域的弹脆性损伤本构关系，在此基础上进行了压痕过程的有限元模拟，并采用纳 米划痕试验来模拟单颗磨粒的磨削过程，研究其损伤的演化，研究成果将为陶瓷材料精密 磨削理论的完善奠定坚实的理论基础。本文的主要工作和成果如下： 1 结合k a c h a n o v 经典的连续损伤力学理论，定义弹性模量退化型损伤变量来综合描 述材料因各种损伤形式而造成的性能劣化，并实现了基于纳米压痕测试的表征材料表面 亚表面损伤的简单可测的方法。 2 采用上述的损伤变量定义，结合陶瓷材料的弹性损伤特征，以氧化铝陶瓷材料为 例，采用球锥形压头进行纳米压痕测试，得到了氧化铝陶瓷的弹脆性损伤本构关系，并分 别进行了球锥形压头和玻氏压头压痕损伤的有限元模拟，证实了该本构关系具有一定的正 确性。 3 以氧化铝陶瓷材料为例，采用纳米划痕测试方法，通过控制划痕载荷和压头形状， 模拟研究了磨削参数( 包括磨削用量、砂轮特性等) 对磨削后表面亚表面损伤等的影响规 i 浙江t 业大学博十学位论文 律，结合磨削后划痕周围相同载荷下距划痕中心不同距离处，或者不同载荷下同一距离处 测试点的压痕试验，以及表面原位扫描和s e m 形貌观测，探讨将该损伤表征方法用于测量 陶瓷磨削损伤的可能性。 4 本文基于连续损伤力学和纳米压痕划痕测试技术对陶瓷材料弹脆性损伤本构关系 和磨削损伤表征测量方法进行研究。研究中借鉴了国内外在工程陶瓷磨削损伤、连续损伤 力学、微纳米测试技术、磨削过程计算机仿真技术等方面己取得的相关研究成果，同时混 凝土、岩石等脆性材料损伤机理、本构模型的研究成果也为本文的研究提供了理论依据。 在此基础上，还可以深入开展将本文提出的表面亚表面损伤表征测量方法应用于其它材 料的研究。 关键词：工程陶瓷，连续损伤力学，损伤表征，弹脆性损伤本构关系，纳米压痕划 痕测试，磨削损伤 浙江- t 业大学博十学位论文 ac h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o do fs u r f a c e s u b s u r f a c ed a m a g ea n di t sa p p l i c a t i o ni n g r i n d i n gi n d u c e dd a m a g eo fc e r a m i c s a b s t r a c t c e r a m i c s ，矾t hv e r ye x c e l l e n tp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，a r ei n c r e a s i n g l yu s e di nt h e f i e l d so fa e r o s p a c e ，c o m m u n i c a t i o n ，p e t r o c h e m i c a le n g i n e e r i n g ，p o w e r ，m e t a l l u r g y ，m e c h a n i c a l a n dm o d e mb i o m e d i c a le n g i n e e r i n g g r i n d i n gi st h em o s te f f i c i e n ta n de f f e c t i v et e c h n i q u et o f i n i s hc e r a m i c sw o r k p i e c e s ，e s p e c i a l l yp r e c i s i o na n du l t r a - p r e c i s i o ng r i n d i n g g r i n d i n gi sa c o m p l e xa b r a s i v ec u t t i n gp r o c e s s ，i n v o l v i n gam a t e r i a lr e m o v a lb yt h ec o n t a c tb e t w e e na b r a s i v e s a n dt h ew o r k p i e c e 谢t i lc e r t a i nd a m a g e c e r a m i c s ，t y p i c a lb r i t t l em a t e r i a l s 埘t hh i 曲h a r d n e s s ， s t r e n g t ha n da b r a s i v er e s i s t a n c e ，a r ed i f f i c u l tt ob em a c h i n e d t h eg r o u n dc o m p o n e n t sa l em o s t l i k e l yt o c o n t a i ns u r f a c e s u b s u r f a c e d a m a g e s ，i n f l u e n c i n gs t r o n g l y t h ep e r f o r m a n c ea n d r e l i a b i l i t y o fc e r a m i cc o m p o n e n t s t h e r e f o r e ，i ti se s s e n t i a lt o s t u d y a n du n d e r s t a n d c o m p r e h e n s i v e l yt h eg r i n d i n gi n d u c e dd a m a g ei nc e r a m i c t h ec u r r e n tr e s e a r c he f f o r t sr e l a t e dt ot h eg r i n d i n gi n d u c e dd a m a g eo fc e r a m i c sf o c u so n t h ee x p e r i m e n t a l ，t h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a la s p e c t si n c l u d i n gs u c hd a m a g ea sm i c r o c r a c k s ， r e s i d u a ls t r e s s e s ad e g r a d e de l a s t i cm o d u l u sb a s e dc h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o do fs u r f a c e s u b s u r f a c ed a m a g ef o rc e r a m i cm a t e r i a l si sp r e s e n t e db a s e do nc o n t i n u u md a m a g em e c h a n i c s ( c d m ) a n dn a n o i n d e n t a t i o n s c r a t ht e c h n i q u e s a ne l a s t i cb r i t t l ed a m a g ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o ni s d e v e l o p e da c c o r d i n gt ot h en a n o i n d e n t a t i o nr e s u l t su n d e rac o n o s p h e r i c a lt i p t h e nt h ef e m s i m u l a t i o no ft h ei n d e n t a t i o nl o a d i n gp r o c e s si sc o n d u c t e d t h en a n o s c r a t c ht e s t sa r ee m p l o y e d t os i m u l a t et h es i n g l ea b r a s i v eg r i n d i n gt os t u d yt h ed a m a g ee v o l u t i o n t h ep r o p o s e de f f o r t sw i l l b eaf o u n d a t i o nf o ri m p r o v i n gt h ep r e c i s i o ng r i n d i n gt h e o r i e so ft h ec e r a m i c s m a i nr e s e a r c h e f f o r t sa r ea sf o l l o w s ： 1 ad e g r a d e de l a s t i cm o d u l u sb a s e dd a m a g ev a r i a b l ei sd e f i n e dt od e s c r i b et h ed a m a g e i n d u c e dp r o p e r t yd e g r a d a t i o no ft h em a t e r i a l sb a s e do nt h et r a d i t i o n a lk a c h a n o vc d m f r a m e w o r k as i m p l ea n df e a s i b l ec h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o do fs u r f a c e s u b s u r f a c ed a m a g ei s r e a l i z e db a s e do nn a n o i n d e n t a t i o nt e s t 2 ，a ne l a s t i cb r i t t l ed a m a g ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o no ft h ea l u m i n ai sd e v e l o p e da c c o r d i n gt o 浙江丁业大学博十学位论文 t h en a n o i n d e n t a t i o nr e s u l t su n d e rac o n o s p h e r i c a lt i p ，c o n s i d e r i n gt h ee l a s t i cd a m a g eo fb r i t t l e c e r a i c s a n dt h e nt h ef e ms i m u l a t i o no ft h ei n d e n t a t i o nl o a d i n gp r o c e s si sc o n d u c t e dw i t h c o n o s p h e r i c a la n db e r k o v i c ht i p ，t ov e r i f yt h ed e v e l o p e dc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n 3 t h ee f f e c to f g r i n d i n gp a r a m e t e r ss u c ha sg r i n d i n gd e p t h ，g r i n i d i n gw h e e lc h a r a c t e r i s t i c s o nt h eg r i n d i n gi n d u c e ds u r f a c e s u b s u r f a c ed a m a g ei ss t u d i e ds i m u l a t i v e l yw i t ha l u m i n as a m p l e ， t h r o u g hn a n o s c r a t c ht e s t sw i t hc o n t r o l l e dp e a ks c r a t c hf o r c ea n dt h et i pg e o m e t r y as e r i e so f i n d e n t a t i o nt e s t sa r ee m p l o y e do nt h ep o i n t se i t h e rw i t hd i f f e r e n td i s t a n c ef r o mt h es c r a t c hc e n t e r u n d e rt h ec o n s t a n tl o a do rt h ep o i n t sw i t ht h es i m i l a rd i s t a n c eu n d e rr a m pf o r c e t h es u r f a c e t o p o g r a p h yo ft h es r a t c h e sa n dt h ei n d e n t si sa n a l y z e dt h r o u g hp i e z oi n s i t ut i ps c a n n i n gm e t h o d a n dt h es e mm e t h o d t h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n gt h ep r o p o s e dd a m a g ec h a r a c t e r a i z a t i o nm e t h o d t ot h eg r i n d i n gi n d u c e dd a m a g ei sc o n s e q u e n t l ys t u d i e d 4 t h ee l a s t i cb r i t t l ed a m a g ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o do f g r i n d i n gi n d u c e dd a m a g ef o rc e r a m i c sa r es t u d i e db a s e do nc d ma n dn a n o i n d e n t a i o n s c r a t c h t e c h n i q u e t h er e s e a r c hf i n d i n g si nt h eg r i n d i n gi n d u c e dd a m a g eo fc e r a m i c s ，c d m ，n a n ot e s t i n g t e c h n i q u e sa n ds i m u l a t i o no ft h eg r i n d i n gp r o c e s sa r er e f e r r e da sw e l la st h ed a m a g em e c h a n i s m s a n dc o n s t i t u t i v em o d e l so fb r i t t l em a t e r i a l ss u c ha sc o n c r e t e ，r o c k af u r t h e rr e s e a r c ho n e x t e n d i n gt h ep r o p o s e dc h a r a c t e r i z a t i o nm e t h o dt oo t h e rm a t e r i a l ss h o u l db ec a r r i e do u t k e yw o r d s ：e n g i n e e r i n gc e r a m i c s ，c d m ，d a m a g ec h a r a c t e r i z a t i o n ，e l a s i cb r i t t l ed a m a g e c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ，n a n o i n d e n t a t i o n s c r a t c ht e s t ，g r i n d i n gi n d u c e dd a m a g e 浙江工业人学博士学位论文 图表目录 图1 1损伤力学研究框架4 图1 - 2 简单应力状态试验与压痕测试8 图2 1磨削过程的变形和磨屑形成1 3 图2 2 磨削表面完整性1 4 图2 3 各种陶瓷材料磨削技术加工精度的比较1 4 图2 - 4 陶瓷磨削微裂纹系统1 5 图2 5 磨削后氮化硅表面层的粉末化区域。1 6 图2 - 6 碳化硅磨削微裂纹。1 6 图2 7 粘接界面技术17 图2 8 维氏压头下加载和卸载过程中的裂纹系统。1 8 图2 - 9 偏量响应的简单机械模型。1 8 图2 1 0 随着磨粒移动，损伤演化的模拟1 9 图2 - 1 1 硬质大磨粒损伤示意图。2 0 图2 - 1 2 角度抛光法示意图2 3 图2 - 1 3 磁流变抛光三维分析法示意图2 3 图3 - i 各种氧化铝陶瓷零件。2 6 图3 - 2 氧化铝陶瓷试样原始照片2 7 图3 - 3 表面抛光处理后照片2 7 图3 - 4 陶瓷试样表面亚表面损伤深度方向示意图2 8 图3 5 压痕过程加载卸载一压深曲线及参数2 9 图3 - 6 压头压入材料和卸载后的参数示意图。2 9 图3 7 美国h y s i t r o n 公司t i9 0 0t f i b o l n d e n t e r 3 2 图3 8 两种加载模式示意图。3 3 图3 - 9 典型的分析曲线3 4 图3 - 1 0 试样表面原位扫描照片( 2 1 z nx 2 u m 范围) 。3 4 图3 1 1球锥压头形状示意图3 7 图3 1 2 熔融石英标样上的压痕验证( 球锥压头) 3 7 i 浙江工业大学博士学位论文 图3 - 1 3 试样表面球锥压痕原位扫描图片( 2 n n 2 u n 范围) 。3 8 图3 1 4 加载保载卸载模式下的载荷位移曲线( 4 r a n 载荷) 3 8 图3 1 5 加载保载部分卸载模式下的载荷位移曲线( 9 r a n 载荷) 3 9 图3 1 69 0 0 0 ，载荷下载荷位移曲线以及弹性模量、硬度变化3 9 图3 1 7 弹性模量随载荷的变化规律4 0 图3 1 8 弹性模量随压入深度的变化规律4 0 图3 i9 各种载荷下s e m 扫描电镜照片4 2 图3 2 0 损伤随接触深度的变化4 3 图3 2 1b e r k o v i c h 压头形状示意图4 3 图3 2 2 熔融石英标样上的压痕验证( 玻氏压头) 4 4 图3 - 2 3 试样表面玻氏压痕原位扫描图片( 2 n n 2 m 范围) 。4 4 图3 2 4 载荷位移曲线以及弹性模量、硬度变化4 5 图3 2 5 弹性模量随载荷的变化规律( 玻氏压头) 4 6 图3 2 6 弹性模量随压入深度的变化规律( 玻氏压头) 4 7 图3 2 7各种载荷下s e m 扫描电镜照片( 玻氏压头) 4 8 图3 2 8 压痕前后表面形貌4 9 图3 2 9p u l 模式下测试的p - h 曲线，最大载荷为1 0 0 0 0 微牛5 0 图3 3 0e r 和h 随压入深度变化的规律5 0 图3 - 3 1 1 5 n n 1 5 u n 扫描定下损伤部位5 l 图3 - 3 23 a n 3 n n 扫描确定压痕点。5 l 图3 3 3压痕后的形貌51 图3 3 4 表面损伤部位的压痕曲线及e r 和h 值。5 2 图4 1脆弹性模型示意图5 5 图4 2 弹脆性损伤本构模型拟合曲线和试验曲线。5 5 图4 3弹性损伤描述示意图5 6 图4 - 4球形压头压痕示意图5 7 图4 5 压痕应力与压痕应变的关系。5 9 图4 石损伤与压痕应变之间的关系。5 9 图4 7高倍率的s e m 照片，清晰可见粉末化损伤6 0 u 浙江上业人学博士学位论文 图4 8m a r c 有限元分析流程图6 l 图4 - 9 球锥压头的纳米压痕有限元分析模型6 2 图4 1 0 熔融石英标样上的压痕验证( 球锥压头) 6 3 图4 1 l 纳米压痕模拟的有限元模型( 玻氏压头) 6 4 图4 1 2 熔融石英标样上的压痕验证( 玻氏压头) 6 4 图4 1 3 试样在纳米压痕试验中的载荷压深曲线( 球锥压头) 6 5 图4 1 4 试样在纳米压痕试验中的载荷压深曲线( 玻氏压头) 6 6 图4 15 9 r a n 载荷下球锥形压头下损伤场6 7 图4 1 6损伤场的影响区随载荷的变化规律。6 8 图4 1 7 球锥形压头作用下试样的变形6 9 图4 1 8 玻氏压头作用下损伤场6 9 图4 19f e m 模拟结果( 球锥压头) 7 0 图4 2 0f e m 模拟结果( 玻氏压头) 7 3 图5 - l 玻氏压头棱边朝前和棱面朝前的不同划痕7 7 图5 - 2 薄膜：基底失效临界载荷的测试原理7 7 图5 3 垂直于划痕方向的环状开裂( r i n gc r a c k i n g ) 7 8 图5 - 4各种磨损示意图7 9 图5 5 各种典型形貌的金刚石磨粒8 0 图5 - 6 划痕测试载荷函数8 l 图5 7 摩擦系数曲线。8 l 图5 83 0 0 0 微牛载荷作用下的划痕原位扫描照片( 1 5 x1 5 a n ) 8 1 图5 - 99 0 0 0 微牛载荷下划痕形貌的二维、三维原位扫描图片8 l 图5 1 0 玻氏压头划痕测试载荷形式8 2 图5 - l lr a m pf o r c e 时的摩擦系数曲线。8 2 图5 1 2 恒定法向载荷时的摩擦系数曲线8 3 图5 1 3 3 0 0 0 微牛载荷作刚一f 的划痕原位扫描照片( 1 5 x 1 5 a n ) 8 3 图5 - 1 4r a m pf o r c e 载荷下( 最大载荷6 r a n ) 划痕形貌原位扫描图片8 3 图5 1 5 划痕周围测点示意图8 4 图5 1 6 损伤随着与划痕中心距离增火而减少8 5 图5 1 7 各测点位置信息的获取8 6 i 浙江工业人学博士学位论文 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 玻氏划痕及周围测点示意图8 6 测点距离测量原理示意图8 7 损伤随着与划痕中心距离增大而减少8 8 划后压痕扫描照片8 9 损伤随着划痕载荷的增人而增大9 0 划痕的粉末化损伤9 l 表2 1 各种磨削加工技术的特点1 4 表3 1 常见压头形状及其参数特性3 l 表3 2 硬度测试方法的适用范围3 2 表3 3 弹性模量、硬度测量数据4 0 表3 4 随着载荷和压痕深度变化，材料损伤的变化4 2 表3 5 弹性模量、硬度测量值( 玻氏压头) 4 6 表4 - l随着载荷和压痕深度变化，材料损伤的变化5 9 表5 1 球锥划痕各测点处的测量数据8 4 表5 - 2 玻氏划痕各测点处的测量数据8 7 表5 3 玻氏r a m pf o r c e 划痕各测点处的测量数据8 9 i v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：日期：2 0 0 9 年6 月3日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保利。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：2 0 0 9 年6 月3日 日期：2 0 0 9 年6 月3日 浙江t 业大学博十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的提出 传统陶瓷是以天然硅酸盐矿物( 如粘土、高岭土、石英等) 为原料，经过原料制备、 成型、高温烧结等工艺制成的陶器或瓷器。现代陶瓷又称先进陶瓷( a d v a n c e dc e r a m i c s ) ， 则泛指用无机非金属物质为原料，经高温处理制得的材料。陶瓷材料的组织结构非常复杂， 一般是由晶体相、玻璃相和气相交织组成的多相多晶体材料，各相的组成、结构、数量、 几何形状及分布状况都影响陶瓷的性制卜2 】。 先进陶瓷具有优良的物理、化学性能，可分为结构陶瓷和功能陶瓷两个大类。功能 陶瓷由于具有压电、铁电、声光、电磁、生物化学等功能而得到广泛应用。工程结构陶瓷 则由于具有很高的熔点和强度，而且化学稳定性好，因而被用作结构材料，广泛应用于航 空、航天、通信、石油化工、电力、冶金、机械及现代生物医学等领域，已成为新材料的 发展中心而受到广泛的关注。近3 0 多年来，随着计算机技术、激光技术等新技术的兴起， 以及基础理论和测试技术( 如电子显微技术等) 的发展，人们对材料结构和性能之间的关系 有了深刻的认识，通过控制材料化学成分和微观结构，相继研制成功具有不同性能的陶瓷 材料。2 l 世纪，金属材料、非金属材料和陶瓷材料成为材料科学的三大支柱，陶瓷材料 及其制品也将形成一新兴产业i l j 。 另一方面，陶瓷零件只有具备一定的形状、高的尺寸精度和近乎苛刻的表面完整性， 才能充分发挥其优良的机械性能，并在工程中推广应用。随着结构陶瓷产业化的迅速发展， 对陶瓷零件加工质量的要求愈来愈高【h 引。但是，陶瓷材料中的化学键以共价键和离子键 为主，这两类化学键都具有较强的方向性和较高的结合强度，这就使得结构中难以发生显 著的位错运动。因此，陶瓷材料最本质的力学特性是其固有的高脆性，在室温静拉伸( 或 静弯曲) 负荷下，均不出现塑性变形阶段，而是弹性变形阶段结束后，立即发生脆性断裂。 磨削是目前陶瓷材料普遍应用的加工方法，特别是精密和超精密磨削加工。 磨削加工过程是一个材料的损伤过程，磨料通过对被j n - r 材料的有限度损伤而实现加工。 由于陶瓷材料的高硬度、耐磨和高脆性，使得其磨削加工性极差，极易产生表面亚表面 磨削损伤，这些损伤包括变形层、表面亚表面微裂纹、相变区域、材料粉末化( 指材料因 晶间微破碎和晶内微破碎所引起的晶粒脱落及晶粒碎化等) 、残余应力、孔隙及疏松区塌 坑等等。陶瓷材料磨削时可能产生的表面亚表面损伤将会引起陶瓷材料元件强度和耐磨 性的降低，会改变材料特性，从而大大降低陶瓷材料零件的寿命，严重的损伤甚至会造成 一1 一 浙江t 业大学博十学位论文 零件的失效卜1 9 1 。 目前，对于陶瓷材料磨削损伤的检测主要采用非损伤探测法和损伤探测法两大类。 非损伤试验探测法一般采用包括扫描电子显微镜( s e m ) 、高频表面波传声显微镜、热波 映像、光子背散射技术、超声显微镜和x 射线衍射技术( x i m ) 等方法。损伤性检测方 法有择优蚀刻、分步蚀刻、截面显微法、角度抛光、透射电子显微镜( t e m ) 等，通过 磨削表面形貌的分析，以获得材料去除机理和磨削损伤演化模式之间的关系【1 8 - 2 0 1 。 陶瓷元件的高加工成本以及难以控测的加工表面损伤，使其更广泛的应用受到限制。 目前，对于陶瓷磨削的表面亚表面损伤的形式、本质和损伤深度还没有完全弄清楚，因 而增加了陶瓷材料在结构应用中的不确定性和危险性。因此，对工程陶瓷磨削材料去除机 理、磨削损伤及其测量、表征方法进行全面深入研究和了解是非常重要的。 1 2 连续损伤力学 1 2 1 损伤力学及其发展 陶瓷是一种脆性材料，其内部结构很难产生位错和滑移，在室温下承载时几乎不发 生塑性变形，而是弹性变形阶段的脆性断裂。这是因为陶瓷材料内部存在有许多称之为损 伤的微缺陷，这些损伤的存在和发展，不仅会造成材料几何和性能上的非均匀性和不连续 性，而且还使结构的强度、刚度和韧性等力学性能下降或剩余寿命降低。因此采用损伤力 学的方法，是研究这类弹脆性及损伤耦合材料的力学性能较为有效的方法。 损伤力学是固体力学近三十年发展起来的一门新的学科分支，它系统地讨论微观缺 陷对材料的机械性能、结构的应力分布的影响以及缺陷的演化规律，可用来分析结构中微 裂纹的演化、宏观裂纹的形成直至构件完全破坏的整个过程，是当前国际上固体力学中一 个十分活跃的研究领域，是经典固体力学理论的重要补充和发展，是材料与结构变形与破 坏理论的重要组成部分。 19 5 8 年l m k a c h a n o v 2 l 】第一次应用连续损伤理论来研究金属的蠕变破坏过程，开 创了损伤力学的发展历史。为反映材料的内部损坏，k a c h a n o v 提出了“连续度与有效应 力 的概念，将连续度定义为材料横截面上的有效承载面积与总面积之比，并利用有效应 力概念给出了连续度的演化方程。他的学生r a b o t n o v 在1 9 6 3 年定义了“损伤因子”的概念， 建立了耦合损伤的本构方程和损伤演化方程，为损伤力学的建立和发展奠定了基础。但在 此后的近十年时间里，上述概念和研究方法除应用于蠕变的研究之外，并未引起人们的广 泛关注。直到7 0 年代初，损伤概念被重新提出。法国学者l e m a j t r e 【2 2 。2 3 1 用连续介质力学 与热力学的观点研究了损伤对材料的弹性、塑性的影响，提出了“应变等效原理( s t r a i n e q u i v a l e n c ep r i n c i p l e ) ，在损伤理论的研究方面作出了卓越的贡献。1 9 7 4 年，法国的 一2 一 浙江丁业大学博士学位论文 c h a b o e h e 研究了高周疲劳，英国的l e c k e i 和瑞典的h u l t 研究了损伤和蠕变的耦合作用。 1 9 7 7 年j a n s o n 和h u r 首次提出了损伤力学( d a m a g em e c h a n i c s ) 的新名词。1 9 8 1 年，欧洲 力学协会( e u r o m e c h ) 委托l e m a i t r e 在法国的c a c h a n 举行了第一次以“损伤力学”命名的 国际学术讨论会。在此后的二十多年时间里，损伤力学有了很大的发展，涌现了各种各样 的损伤力学理论，取得了一些满意的成果。这一阶段，各国学者相继采用连续介质力学的 方法，把损伤因子作为一种场变量( 称为损伤变量) 描述材料的损伤过程，逐步形成了连续 介质损伤力学的框架和唯象学基础1 2 1 。2 4 。 在我国损伤力学由李灏教授和黄克智教授发起，他们于1 9 8 2 年在第二届全国断裂力 学会议上首次引入了损伤力学。同年，在我国的有关刊物上开始刊登关于损伤理论的文章， 其后吴鸿遥、谢和平、李兆霞、王军、余寿文、沈为等的教材和专著的出版，为我国损伤 力学的发展和普及起到了推动作用【2 。 自从损伤力学诞生以来，应工程实际的需要，经历了一个从萌芽到壮大的过程，出 现了两个平行发展的分支，即连续损伤力学( c o n t i n u o u sd a m a g em e c h a n i c s ，c d m ，又 称为宏观损伤力学或唯象损伤力学) 和细观损伤力学，这两个分支目前呈现出相互融合、 交叉的发展趋势。连续损伤力学认为损伤是连续的，利用连续介质热力学和连续介质力学 的唯象学方法，将材料内部的微缺陷理解为连续的损伤场，并通过将这一标量或矢量、张 量形式的损伤变量代入到材料的本构关系中来把微缺陷的发展与材料力学性能的劣化联 系起来。它着重考察损伤对材料宏观整体平均力学性质的影响及材料和结构损伤演化的过 程和规律，而不细察其损伤演化的细观物理与力学过程，只求其预计的宏观力学行为与变 形行为符合实验结果与实际情况。因此，连续损伤理论更容易为工程设计人员所接受，并 在结构设计，寿命预测，强度校核等工程实际问题中得到应用【2 5 。2 7 】。细观损伤力学则通过 对典型损伤基元，如微裂纹、微孔洞、剪切带等以及各种基元的组合，建立材料的细观力 学模型，根据损伤基元的变形与演化过程，采用某种力学平均化的方法，求得材料变形与 损伤过程与细观损伤参量之间的关联【2 5 1 。 经过5 0 多年的发展，损伤力学在其基本理论框架方面己经取得了很大的成就，在工 程应用上由最初对金属蠕变损伤的研究，扩展到能够有效地解决其它材料( 如岩石、混凝 土、陶瓷、复合材料等) 损伤行为的研究，诸如蠕变与疲劳寿命预测、脆性材料( 岩石、混 凝土等) 破坏与稳定性、材料韧脆性转变和强韧化分析等问题。 用损伤力学方法对材料的力学特性进行研究，首先要对材料变形过程进行宏观和微 观的实验观察，根据材料损伤演变的微观现象及其宏观表现，采用唯象方法，选择适当的 损伤参数，作为本构关系中的内变量建立方程。如何建立能够正确反映材料的损伤本质的 损伤演化方程，是损伤力学研究工作的核心【2 9 1 。损伤力学研究的主要内容如图1 1 所示【2 6 1 。 浙江丁业大学博+ 学位论文 图1 1损伤力学研究框架1 2 6 j 综上所述，损伤力学就是较为系统地研究含微缺陷的材料在载荷等外在因素作用下 的力学性质，以及在变形过程中损伤场的演化( 从原生缺陷到形成宏观裂纹) 发展直至破 坏的力学过程的学科。目前损伤力学还在不断发展之中，针对于各种各样的损伤，力学家 们提出了许多各种各样的损伤模型，从特征尺度和研究方法来看，各种损伤理论分为微观 损伤理论、细观损伤理论和宏观损伤理论，但在国际上尚未出现比较公认的为大家普遍接 受的理论【3 5 _ 4 引。 1 2 2 损伤的类型 材料损伤状态的描述问题，是损伤力学的基本问题之一，也是难题之一。 从材料的损伤机制、产生的微缺陷的形状来看，损伤可以归结为两大类：一类是微裂 纹的形成、扩展和汇合，最后形成宏观裂纹，称为脆性损伤；另一类是微孔洞或剪切带的 形核、长大、汇合和扩展，称为韧性损伤。这两类机制在不同的材料细观结构中和不同的 加载条件下所表现出的性质会有很大差别。 从材料的宏观性质和载荷的类型来看，损伤又可以分为弹脆性损伤、延塑性损伤、 蠕变损伤、疲劳损伤等【2 9 。3 0 3 5 1 。 ( 1 ) 弹脆性损伤 在这类损伤的发展过程中，材料在细观尺度上直到失效也没有明显的塑性变形，但在 微观尺度上有时会有一些微小的塑性应变。如果这些微塑性应变可完全忽略，则这类损伤 又可称为纯脆性损伤；如果不能忽略，则称为准脆性损伤。脆性损伤一般出现在岩石、高 一4 一 浙江丁业大学博士学位论文 强度混凝土、陶瓷和高强度低韧性的金属和合金材料中。 ( 2 ) 延塑性损伤 微孔洞和微裂纹的形成、扩展和汇合，使材料产生大塑性应变，最后导致塑性断裂。 与这类损伤伴随发生的是材料出现比较明显的不可恢复的塑性变形。这类损伤的表现形式 主要是微孔洞、微裂纹的萌生、成长和聚合，这种损伤大多发生在金属等塑性材料中。 ( 3 ) 蠕变损伤 是指材料在长期载荷作用或高温环境下，伴随着蠕变变形发生的损伤。长期处在中温 或高温下的材料，在产生粘塑性应变的同时，还发生蠕变损伤，两者都随着时间而增大， 最后导致蠕变断裂。这类损伤也称为粘塑性损伤，一般发生在较高温度下的金属材料中。 ( 4 ) 疲劳损伤 材料在受到循环载荷反复作用下产生的损伤称为疲劳损伤，根据材料承受的应力幅值 的大小，这类损伤又可分为低周疲劳损伤( n r 1 0 5 次) 。其中 前者的应力幅值较高，损伤过程中伴随有较大的塑性变形，表现为延性损伤；后者的应力 幅值较小，损伤过程中的塑性应变非常小，在细观尺度下甚至可以忽略，表现为脆性损伤。 另外，从材料损伤过程中力学表现的方向性来看，可以将损伤分为各向同性损伤和各 向异性损伤两类。 ( 1 ) 各向同性损伤 如果在损伤过程中，材料内部微裂纹、微孔洞在空间的各个方向上都是均匀分布的， 那么它们在各个方向上导致材料承载能力下降的程度是相同的，则损伤变量可以用一个标 量来表示。 k a c h a n o v 提出的“连续度”和r a b o t n o v 引入的“损伤因子”概念，都是对金属直 杆在单向受力条件下按照材料内部