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四方相氧化锆陶瓷相变行为的相场法研究

【摘要】:氧化锆陶瓷(Y-TZP)具有优良的力学性能、化学稳定性和生物相容性,在关节置换和牙科修复等医学领域有着重要的应用前景。在人体环境下,氧化锆陶瓷表层易发生水分子诱导相变(又称低温退化),致使表层产生微裂纹,从而影响置换物的服役性能。合理表征低温退化后表层微结构的改变及其对氧化锆力学性能的影响对于从微观结构调控和结构设计角度提高置换物的服役性能具有重要意义。而相场法可以在介观尺度统一模拟材料内部相变、裂纹和扩散等微观过程的耦合作用机理。本文致力于通过相场法,建立二维相场模型,对氧化锆内部相变和扩散诱导相变过程进行模拟。首先,本文建立了单晶形核相变的相场模型,模拟了不同晶向下单晶的相变演化过程,发现在单晶晶粒中相变形核演化产生的条纹会有两个取向,平行于晶向或垂直于晶向。其次,建立了单、双晶的氧化锆增韧的相场模型,研究了不同晶向及其组合对晶粒相变演化和增韧效应的影响,发现0°晶向单晶的相变速率和增韧效应皆优于90°晶向单晶,且晶粒相变演化方向不仅受自身晶向影响还受相邻晶粒晶向以及自由边的影响。然后在多晶相变的相场模拟中,讨论了自由表面晶粒的晶向分布对晶粒相变演化的影响,发现当自由表面晶粒的晶向为杂乱分布时比同种晶向分布时相变发生所需的临界化学驱动力更小,且多晶中晶粒的相变演化不仅受相邻晶粒晶向的影响还受其他非相邻晶粒晶向的影响。最后,对扩散相变耦合场进行初步探讨,发现耦合场的扩散过程能够诱导相变过程的发生。

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