理解随机形态对冷冻铸造氧化铝陶瓷压缩性能的影响

《Journal of the American Ceramic Society》：Understanding the effects of stochastic morphology on compressive behavior in freeze-casted alumina ceramic

基于冻铸陶瓷形态参数分布与力学压缩行为关联的宏观同质化渐进破坏分析模型研究。通过整合层状壁错位、局部缺陷等随机材料特征，构建的各向异性有限元失效模型能准确预测有效刚度和强度，实验验证显示形态随机性显著影响损伤起始与传播，并基于PFA与实验数据构建了75%-85%置信区间的强度预测范围，建立了冻铸材料加工-内部结构-力学性能的关联框架。

　　

摘要

本研究开发了一种宏观尺度均质化渐进失效分析（PFA）模型，用于将冷冻铸造陶瓷的形态参数分布与机械压缩行为的变异性联系起来。所提出的均质各向异性有限元失效模型纳入了随机材料特性，如层状壁错位和局部材料缺陷。该模型通过实验进行了验证，从而能够研究制造过程中产生的形态变化对失效行为的影响。通过对冷冻铸造氧化铝样品进行压缩测试，确定了材料在不同方向上的机械性能，而所提出的计算模型能够准确预测其有效刚度和强度。研究表明，随机形态特征的影响改变了损伤的起始和传播过程，使得模型结果与实验观察到的材料表面应变分布更为吻合。通过方差功能分析比较了平均应力-应变曲线，发现实验结果与模型预测之间具有较好的一致性。基于PFA和实验数据，构建了组平均应力-应变曲线的置信区间，从而可以根据均质化方案中捕获的形态特征计算出具有75%–85%准确性的预测强度范围。所提出的计算框架建立了冷冻铸造材料中的加工过程、内部结构与性能之间的关系，并强调了在预测压缩机械行为及其相关变异性时考虑微观结构变异性的重要性。

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。