一種陶瓷材料表面-亞表面損傷表征方法及其在磨削損傷檢測中的應用.pdf

1、陶瓷材料具有優(yōu)良的物理、化學性能，廣泛應用于航空、航天、通信、石油化工、電力、冶金、機械及現(xiàn)代生物醫(yī)學等領域。磨削是目前陶瓷材料普遍應用的加工方法，特別是精密和超精密磨削加工。磨削加工過程是一個材料的損傷過程，磨料通過對被加工材料的有限度損傷而實現(xiàn)加工。由于陶瓷是一種典型的脆性材料，硬度高、耐磨而且韌性低，使得其磨削加工性極差，極易產生表面/亞表面磨削損傷，從而大大降低陶瓷材料零件的壽命，甚至直接導致零件的報廢。因此，對工程陶瓷磨削損傷

2、進行全面深入研究和了解是非常重要的。 目前，對于陶瓷材料的磨削損傷問題主要從實驗和理論研究、數(shù)值模擬等三個方面研究其損傷問題，分別從損傷的各種表現(xiàn)形式如微裂紋、殘余應力等方面進行研究。本文基于連續(xù)損傷力學理論和納米壓痕/劃痕測試技術，提出了一種彈性模量退化型陶瓷材料表面/亞表面損傷表征方法，根據(jù)球錐形壓頭下的納米壓痕實驗數(shù)據(jù)，推導得到微納尺度壓痕局部區(qū)域的彈脆性損傷本構關系，在此基礎上進行了壓痕過程的有限元模擬，并采用納米劃痕試

3、驗來模擬單顆磨粒的磨削過程，研究其損傷的演化，研究成果將為陶瓷材料精密磨削理論的完善奠定堅實的理論基礎。本文的主要工作和成果如下： 1.結合Kachanov經典的連續(xù)損傷力學理論，定義彈性模量退化型損傷變量來綜合描述材料因各種損傷形式而造成的性能劣化，并實現(xiàn)了基于納米壓痕測試的表征材料表面/亞表面損傷的簡單可測的方法。 2.采用上述的損傷變量定義，結合陶瓷材料的彈性損傷特征，以氧化鋁陶瓷材料為例，采用球錐形壓頭進行納米壓

4、痕測試，得到了氧化鋁陶瓷的彈脆性損傷本構關系，并分別進行了球錐形壓頭和玻氏壓頭壓痕損傷的有限元模擬，證實了該本構關系具有一定的正確性。 3.以氧化鋁陶瓷材料為例，采用納米劃痕測試方法，通過控制劃痕載荷和壓頭形狀，模擬研究了磨削參數(shù)（包括磨削用量、砂輪特性等）對磨削后表面／亞表面損傷等的影響規(guī)律，結合磨削后劃痕周圍相同載荷下距劃痕中心不同距離處，或者不同載荷下同一距離處測試點的壓痕試驗，以及表面原位掃描和SEM形貌觀測，探討將該損

5、傷表征方法用于測量陶瓷磨削損傷的可能性。 4.本文基于連續(xù)損傷力學和納米壓痕／劃痕測試技術對陶瓷材料彈脆性損傷本構關系和磨削損傷表征測量方法進行研究。研究中借鑒了國內外在工程陶瓷磨削損傷、連續(xù)損傷力學、微納米測試技術、磨削過程計算機仿真技術等方面已取得的相關研究成果，同時混凝土、巖石等脆性材料損傷機理、本構模型的研究成果也為本文的研究提供了理論依據(jù)。在此基礎上，還可以深入開展將本文提出的表面/亞表面損傷表征測量方法應用于其它材料