力电脉冲作用下压电陶瓷疲劳裂纹扩展模拟与实验验证

压电陶瓷由于强度与断裂韧度低，在极化与服役中极易产生缺陷，疲劳断裂是其最危险的失效形式。与静态载荷不同，压电器件的实际载荷往往是脉冲形式。而现阶段研究侧重于对交变电场所致疲劳断裂的实验研究，缺乏有效的理论模型与数值模拟手段。因此，本项目基于压电陶瓷的疲劳试验与理论研究现状，研究的主要内容包括断裂参数的高效精确计算方法、有效的裂纹模型、压电裂纹扩展的断裂准则、不同载荷条件下的疲劳裂纹扩展公式等。课题主要创新性成果有：率先将相互作用积分法引入对压电裂纹的边界元分析中；提出磁电介质界面裂纹断裂参数计算公式；提出一种新的断裂参数——周向机械应变能释放率，实现了对压电裂纹扩展方向的快捷计算，并考虑断裂韧度的各向异性提出修正的最大周向机械应变能释放率准则，成功对压电裂纹扩展路径的准确模拟；对机械循环载荷下考虑裂尖小范围畴变与塑性屈服，对电致疲劳考虑裂尖电屈服的条状饱和区模型，对压电裂纹疲劳扩展公式中的控制参量进行了合理选择。最终，课题组开发了高效稳定的通用边界元软件平台，实现了对压电裂纹准静态扩展以及疲劳裂纹扩展的数值模拟与寿命预测。研究成果对于压电陶瓷的疲劳断裂理论与可靠性设计都具有十分重要的科学意义和实用价值。

压电陶瓷的强度与断裂韧度低，在极化与服役中极易产生缺陷，疲劳断裂是其最危险的失效形式。与静态载荷不同，压电器件的实际载荷往往是脉冲形式。机械脉冲会引起不可忽视的惯性效应；电脉冲持续时间极短、峰值高，对电子器件的危害性极大。而现阶段研究侧重于对交变电场所致疲劳断裂的实验研究，缺乏有效的理论模型与数值模拟手段。因此，本项目首先根据文献中各种交变载荷下压电陶瓷的疲劳试验与理论分析结果，宏细观相结合建立多尺度疲劳模型。宏观唯象模型考虑动载的惯性效应与电致畴壁运动，细观损伤机制考虑裂尖小范围畴变与塑性屈服。分析确定疲劳裂纹扩展的控制参量与准则，并提出多参数扩展公式；进而开发高效稳定的通用边界元软件平台，实现疲劳裂纹扩展的数值模拟与寿命预测。针对典型力电脉冲情况，应用此数值软件进行实例模拟，与实验对比逐步完善模型与软件。研究成果对于压电陶瓷的疲劳断裂理论与可靠性设计都具有十分重要的科学意义和实用价值。

疲劳裂纹扩展速率da/dN，是在疲劳载荷作用下，裂纹长度a随循环周次N的变化率，反映裂纹扩展的快慢。

疲劳载荷：在工程上引起的疲劳破坏的应力或应变有时呈周期性变化，有时是随机的。

疲劳裂纹：某些材料在连续交变应力作用下，会在其表面逐渐生成裂纹，并随着作用时间而逐渐向纵深发展。使裂纹打一展，试件的力学性能下降，最终导致完全断裂。应该指出，有些材料耐初始裂纹生长的性能很好，但一旦生成却发展很快。而另一些材料就正好相反。

疲劳裂纹扩展速率1区

是低速率区。该区域内，随着应力强度因子幅度

若

当

研究疲劳裂纹门槛值在理论上和实际工程应用上都是有意义的。十分明显，一般的机械零件和工程构件是不会以来作为设计指标的。因为数值很低，如以来作为设计标准，这无疑是要求工作应力很低或者容许的裂纹尺寸很小。疲劳门槛值除了因应力比R的增加而减小外，还和组织有关。

疲劳裂纹扩展速率2区

是中速率裂纹扩展区。此时，裂纹扩展速率一般在

疲劳裂纹扩展速率3区

为高速率区，在这一区域内，da/dN大，裂纹扩展快，寿命短。其对裂纹扩展寿命的贡献，通常可以不考虑。此区域的上限为

S-N曲线以R=-1（对称循环）时的曲线作为基本曲线。