超聲激勵(lì)納米復(fù)相陶瓷非局部本構(gòu)關(guān)系及延性域磨削機(jī)理研究.pdf

1、超聲加工陶瓷材料的去除過程伴隨著各種行為效應(yīng)如力學(xué)效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、電磁效應(yīng)和熱學(xué)效應(yīng)等,使得問題的研究由單一領(lǐng)域轉(zhuǎn)化為多學(xué)科、多領(lǐng)域、宏微觀結(jié)構(gòu)交織在一起。此時(shí)為了解釋加工性能改善的現(xiàn)象,本文基于非局部理論,著重于探索超聲波與ZTA納米復(fù)相陶瓷材料的微觀作用機(jī)理,從材料本構(gòu)特性、宏觀力學(xué)特性和磨削表面微觀形貌等方面闡述了超聲激勵(lì)對(duì)納米陶瓷加工特性的影響,揭示超聲加工時(shí)所產(chǎn)生的延性高效現(xiàn)象的理論本質(zhì),為進(jìn)一步完善超聲加工的理論奠定基礎(chǔ)。本

2、文主要研究內(nèi)容如下:
　　基于脆性材料斷裂的非局部力學(xué)理論,考慮超聲激勵(lì)參量的影響因素建立非局部彈性核參量和彈性核函數(shù)公式,推導(dǎo)含有超聲激勵(lì)影響因素的非局部本構(gòu)模型。討論了超聲振動(dòng)振幅和頻率對(duì)核函數(shù)的影響,基本上呈現(xiàn)下開口拋物線性形狀,在臨界振幅和臨界頻率以前它們對(duì)核函數(shù)的影響呈遞增趨勢,在臨界值附近時(shí)影響最為明顯,非局部效應(yīng)最強(qiáng)烈,此后振幅和頻率對(duì)核函數(shù)的影響呈衰減現(xiàn)象。通過核函數(shù)建立宏-微觀聯(lián)系,建立了陶瓷材料超聲激勵(lì)裂紋尖端

3、的非局部彈性解析應(yīng)力場,發(fā)現(xiàn)發(fā)生在裂紋尖端的最大應(yīng)力是有限的,理論上消除了物理上不現(xiàn)實(shí)的裂紋尖端應(yīng)力奇異性,顯示了裂紋尖端應(yīng)力場的本來面目。為超聲振動(dòng)加工延性去除機(jī)理的研究提供理論保證和指導(dǎo)。
　　通過超聲激勵(lì)軸向拉伸試驗(yàn),考慮不同超聲參數(shù)下非局部彈性核函數(shù)與長程作用域的關(guān)系,得出斷裂應(yīng)力隨著振幅和頻率的增加先減小后增加,呈上開口拋物線性形狀,在臨界振幅(30kHz,15.3218μm)和臨界頻率(75W,35kHz)附近時(shí),衰減

4、率最小,非局部效應(yīng)也最強(qiáng)烈。通過拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)非局部核參量的影響參數(shù)進(jìn)行擬合,求出了頻率的影響系數(shù)為1.2,從而獲得了超聲激勵(lì)下的非局部彈性核函數(shù)和非局部本構(gòu)模型。通過對(duì)試件拉伸斷口物相分析,說明超聲激勵(lì)作用在很大程度上改善了陶瓷材料的力學(xué)性能,ZrO2在應(yīng)力誘導(dǎo)下發(fā)生t?m相變從而吸收應(yīng)變,有較好的塑性力學(xué)性能。對(duì)拉伸斷口的電鏡觀察表明,超聲拉伸下的斷口有明顯的晶粒斷面,在大量的晶粒上有裂紋出現(xiàn),說明ZTA陶瓷發(fā)生了穿晶/沿晶混

5、合斷裂。隨著超聲激勵(lì)振幅和頻率的增大,斷口的空隙逐漸增多,平整度也得到很大的改善,在(30kHz,15.3218μm)和(75W,35kHz)附近時(shí),斷面最為齊整,在試驗(yàn)上驗(yàn)證了非局部衰減率的理論變化規(guī)律并對(duì)超聲振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
　　基于非局部彈性理論和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則推得了裂紋平面應(yīng)變斷裂韌性的理論公式,從微觀力學(xué)機(jī)理上反映陶瓷材料斷裂的解理機(jī)制。通過超聲激勵(lì)下的顯微硬度和斷裂韌性測試試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)超聲下的材料硬度值約為普通無超聲下

6、材料硬度值的70.4％~58.7%,而普通情況下的斷裂韌性K IC值約為超聲振動(dòng)下斷裂韌性K IC值的68.7%~85.1%。通過試驗(yàn)結(jié)果,分析了不同超聲頻率下臨界切削深度的變化規(guī)律,研究了超聲振動(dòng)對(duì)材料去除性能的影響。并通過磨削力試驗(yàn)及表面微觀形貌觀察,發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)所用的精密平面磨床上,普通磨削ZTA納米復(fù)相陶瓷的延性域磨削深度約為2μm,超聲磨削塑性去除臨界磨深在20kHz下約為4μm,30kHz下約為8μm,在35kHz下約為12μ

7、m,40kHz下的塑性去除臨界磨深約為10μm,試驗(yàn)結(jié)果和理論推導(dǎo)一致。
　　依據(jù)非局部能量平衡理論和內(nèi)聚力理論,推導(dǎo)出了物理意義更加明確的超聲激勵(lì)斷裂表面能和動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展速度公式。通過超聲激勵(lì)作用下裂紋尖端處的TEM和SEM照片,從“能量角度”和“微觀測試”探討了超聲延性域加工的本質(zhì),分析了超聲激勵(lì)對(duì)裂紋擴(kuò)展的微觀作用機(jī)制:發(fā)現(xiàn)超聲激勵(lì)造成主裂紋周圍產(chǎn)生位錯(cuò)云、微裂紋云、裂紋分叉或者偏轉(zhuǎn)等現(xiàn)象,形成能量吸收機(jī)制,裂紋擴(kuò)展速度降低